Chapter 03-1：Privilege Level Switching
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:::info

GDT 遠比我們想的更加複雜，為了能更加深刻理解 GDT 的運作，我們另外設計測試程式來幫助我們更好理解 GDT 的運作。
  1. GDT Basic。
  2. Ring 0 to Ring 3: retf。
  3. Call Gate。
  4. Ring 3 to Ring 0: Call Gate and TSS。
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>[time=Tue, Sep 2, 2025 5:43 PM]
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https://youtu.be/zVd-MjakdEI
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/zVd-MjakdEI?si=UEEnLkdblOv7rluZ" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe>

>Reference: [利用Call Gate與TSS (Task-State Segment)實現特權等級的轉換](https://jasonblog.github.io/note/os/1417.html)
>這個參考文件寫得相當好，而且也有搭配清晰的圖作為輔助。

# GDT Basic

>Reference:[Segment-Level Protection](https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2004/readings/i386/s06_03.htm)

主要會做以下保護以及確認：
* Type checking：Code segment or data segment。
* Limit checking
* Privilege Levels
* Accessing Data in Data Segments
* Restricting Control Transfers

:::warning
CPL: 特指 CS 當前的特權級。
RPL: Selector 裡面 RPL 欄位的特權級。
DPL: 在 GDT descriptor 裡面描述 segment 的特權級。
:::

>[!Note] Memory Layout
>

>[!Note] Code Flow
>

## Source Code

https://github.com/srhuang/a-os/commit/c548634472f9af6958f309103a59d263809ba580

## Compile

nasm boot/loader.s -I boot/ -o out/loader.bin 

## Put on hard disk

dd if=../code/out/loader.bin of=./60mb.img bs=512 count=4 seek=1 conv=notrunc

## Checkpoint


# Ring 0 to Ring 3

>[!Caution] CPU 原生設計是不允許高特權往低特權跳轉，唯一的方式就是使用 retf 的方式跳轉。

在 x86 的 inter-privilege-level far return (retf 但 RPL ≠ CPL) 的情況下，處理器會從 堆疊中依序 pop 這些東西：
* IP / EIP → return address (指令指標)
* CS → return code segment
* SP / ESP → 呼叫者的 stack pointer
* SS → 呼叫者的 stack segment

👉 所以會 pop 4 個項目（IP、CS、SP、SS），而不是一般情況下的 2 個（IP、CS）。

push SELECTOR_B_STACK   ; stack segment
push B_STACK_TOP        ; top of stack
push SELECTOR_B_CODE    ; code segment
push 0                  ; EIP
retf

>[!Note] Memory Layout
>

>[!Note] Code Flow
>

## Source Code

https://github.com/srhuang/a-os/commit/a4d7ff54c13b819f533eff0a51c376d5511f57db

## Compile

nasm boot/loader.s -I boot/ -o out/loader.bin 

## Put on hard disk

dd if=../code/out/loader.bin of=./60mb.img bs=512 count=4 seek=1 conv=notrunc

## Checkpoint


# Call Gate

>[!Tip] 這邊展示的是沒有特權級轉換的 call gate，下部分才會展示有特權級轉換的 call gate。

>[!Note] Call Gate Descriptor
>
>DWORD COUNT: This field specifies the number of doublewords (DWORDs) to copy from the caller's stack to the new stack associated with the higher privilege level.
>在特權等級轉換的情況下，主要是用做參數的傳遞。

>[!Note] Memory Layout
>

>[!Note] Code Flow
>

## Source Code

https://github.com/srhuang/a-os/commit/4ad72ddab1af6db2d6b421406c4407565a33b66c

## Compile

nasm boot/loader.s -I boot/ -o out/loader.bin 

## Put on hard disk

dd if=../code/out/loader.bin of=./60mb.img bs=512 count=4 seek=1 conv=notrunc

## Checkpoint


# Ring 3 to Ring 0

>[!Tip] 我們會使用 call gate 來進行低特權往高特權跳轉，低特權跳轉高特權還需要 TSS 的協助。

>Reference:
>[利用Call Gate與TSS (Task-State Segment)實現特權等級的轉換](https://jasonblog.github.io/note/os/1417.html)
>[Task State Segment](https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2004/readings/i386/s07_01.htm)

>[!Note] TSS data structure
>

>[!Note] TSS Descriptor
>

>[!Note] LTR: load Task Register
>

>[!Note] Memory Layout
>

>[!Note] Code Flow
>

## Source Code

https://github.com/srhuang/a-os/commit/461fe96aaa305dd2707922cd39dd45f7fb3fca97

## Compile

nasm boot/loader.s -I boot/ -o out/loader.bin 

## Put on hard disk

dd if=../code/out/loader.bin of=./60mb.img bs=512 count=4 seek=1 conv=notrunc

## Checkpoint


觀察 stack pointer(SP) 的變化。