【问题标题】:Page faults with reads of higher half addresses in 64-bit kernel在 64 位内核中读取高半地址的页面错误
【发布时间】:2017-08-29 00:38:34
【问题描述】:

我正在用 Rust 和 NASM 汇编器编写一个 64 位的高半内核。我正在使用与 Multiboot2 (GRUB2) 兼容的引导加载程序来最初加载我的内核。当我的内核在 QEMU 中运行时,我遇到了页面错误错误(0x0e 异常),我不明白为什么。我遇到的问题出现在我的汇编代码中,然后才到达用 Rust 编写的代码。

我正在设置分页,以便内存看起来像:

0000000000000000: 0000000000000000 --PDA---W
0000000000200000: 0000000000200000 --P-----W
ffffff0000000000: 0000000000000000 --P-----W
ffffff7f80000000: 0000000000000000 X-P------

(这既是我的意图,也是来自 QEMUinfo mem 的结果)

表格如下:

p4: # pml4
    0o000 <- p3_low | PRESENT | WRITABLE
    0o776 <- p3_hgh | PRESENT | WRITABLE
p3_low: # pdpte
    0o000 <- p2_low | PRESENT | WRITABLE
p3_hgh: # pdpte
    0o000 <- p2_krn | PRESENT | WRITABLE
    0o667 <- p2_mbi | PRESENT | WRITABLE
p2_low: # pde
    0o000 <- 0o000000_000_000_000_000_0000 | PRESENT | WRITABLE | PAGESIZE
    0o001 <- 0o000000_000_000_001_000_0000 | PRESENT | WRITABLE | PAGESIZE
p2_krn: # pde
    0o000 <- 0o000000_000_000_000_000_0000 | PRESENT | WRITABLE | PAGESIZE
p2_mbi: # pde
    0o000 <- 0o000000_000_000_000_000_0000 | PRESENT | PAGESIZE | NOEXEC

其他一切都归零。


我的项目中的相关代码在这些文件中:

macros64.asm:

%macro pte_write 4
    mov rax, %4
    or rax, %3
    mov qword [%1+8*%2], rax
%endmacro

paging64.asm:

extern kernel_start
extern kernel_end

p_present  equ (1<<0)
p_writable equ (1<<1)
p_user     equ (1<<2)
p_pagesize equ (1<<7)
p_noexec   equ (1<<63)

[section .text]

enable_paging:
    ; Calculate start and end address of the multiboot2 info structure.
    mov r9, rdi
    mov r10, r9
    add r10d, dword [r9]
    and r9, 0xfffffffffffff000
    shr r10, 12
    inc r10
    shl r10, 12
    ; Clear out all the page tables.
    movaps xmm1, [blank]
    mov rcx, page_tables_start
.clear_page_tables_loop:
    movaps [rcx], xmm1
    add rcx, 16
    cmp rcx, page_tables_end
    jl .clear_page_tables_loop
    ; TODO Uncomment the recursive page mappings once things actually work -- for now, they just make "info tlb" in QEMU annoying to read.
    ; Fill out the P4 table.
    pte_write p4, 0o000, p3_low, p_present | p_writable
    pte_write p4, 0o776, p3_hgh, p_present | p_writable
;   pte_write p4, 0o777, p4,     p_present | p_writable | p_noexec
    ; Fill out the P3 tables.
    pte_write p3_low, 0o000, p2_low, p_present | p_writable
;   pte_write p3_low, 0o777, p3_low, p_present | p_writable | p_noexec
    pte_write p3_hgh, 0o000, p2_krn, p_present | p_writable
    pte_write p3_hgh, 0o776, p2_mbi, p_present | p_writable
;   pte_write p3_hgh, 0o777, p3_hgh, p_present | p_writable | p_noexec
    ; Identity map the lowest 2MiB.
    pte_write p2_low, 0o000, 0o000000_000_000_000_000_0000, p_present | p_writable | p_pagesize
    pte_write p2_low, 0o001, 0o000000_000_000_001_000_0000, p_present | p_writable | p_pagesize
;   pte_write p2_low, 0o777, p2_low, p_present | p_writable | p_noexec
    ; Map the kernel.
    xor rcx, rcx
    mov rsi, kernel_start
.kernel_loop:
    pte_write p2_krn, rcx, rsi, p_present | p_writable | p_pagesize
    inc rcx
    add rsi, 0o000000_000_000_001_000_0000
    cmp rsi, kernel_end
    jb .kernel_loop
    ; Map the multiboot2 information structure.
    xor rcx, rcx
    mov rsi, r9
.mbi_loop:
    pte_write p2_mbi, rcx, rsi, p_present | p_pagesize | p_noexec
    inc rcx
    add rsi, 0o000000_000_000_001_000_0000
    cmp rsi, r10
    jb .mbi_loop
    ; Load the new page table. We don't need to flush the TLB because we moved into CR3.
    mov rax, p4
    mov cr3, rax
    ; Return.
    ret

[section .data]
align 0x10
blank: times 0x10 db 0x00

[section .bss]

alignb 4096
page_tables_start:

p4: resb 4096
p3_low: resb 4096
p3_hgh: resb 4096
p2_low: resb 4096
p2_krn: resb 4096
p2_mbi: resb 4096

page_tables_end:

start64.asm:

bits 64

extern kmain
global start64

%include "macros64.asm"
%include "paging64.asm"

[section .text]

;; The entry point for 64-bit code. We expect the address of the multiboot2
;; info structure in rdi.
start64:
    ; Save the address of the multiboot2 info structure.
    push rdi
    ; Clear interrupts. If we get an interrupt before we have an IDT, we'll
    ; triple fault. We can re-enable it from Rust, later.
    cli
    ; Nuke the segment registers.
    mov rax, 0x10
    mov ss, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    ; Set up paging.
    call enable_paging
    ; The first argument to kmain is the multiboot2 info structure. We need to
    ; adjust the address to the new higher-half location.
    pop rdi
    mov rax, 0xffffff7f80000000
    add rdi, rax
    ; DEBUG
    mov dword [0xb8004], 0xf021f021
    mov rbx, [rdi]
    mov dword [0xb8000], 0xf021f021
    hlt
    ; Call kmain. It's more than 4GiB away, so we have to do an indirect call.
    mov rax, kmain
    call rax
    ; kmain should never return; call halt if it does.
    jmp halt

halt:
    ; Write "kexit?!?" to the upper right corner.
    mov dword [0xb8000], 0x4f654f6b
    mov dword [0xb8004], 0x4f694f78
    mov dword [0xb8008], 0x4f3f4f74
    mov dword [0xb800c], 0x4f3f4f21
    ; Disable interrupts and halt.
    cli
    hlt
    ; Just in case... something? happens.
    jmp halt

在我将新页表移动到 CR3 后,执行继续正确。但是,一旦我尝试从start64.asm 的高内存中读取一个值,就会出现页面错误。故障发生在这一行:

    mov rbx, [rdi]

mov dword [0xb8004], 0xf021f021 之前的行正确地将!! 写入屏幕。 [rdi]是可以找到Multiboot2信息记录的高半地址。

完整代码的副本可以在my GIT repository找到。

【问题讨论】:

  • 添加了数据段,问题依旧。这些天实际上依赖于非 CS 细分市场的是什么?我以为它们现在已经过时了?
  • 啊,我今天早上在看两个不同的 OSDev 问题。在您的情况下,您使用的是 64 位长模式。在该模式下,唯一不取值 0(并且限制为 2^64)的寄存器是可以设置的 FS 和 GS。对于那个很抱歉。 movaps 是一个可能的问题。除非您明确使用 align 16 之类的内容,否则数据部分中的数据可能会以 8(而不是 16)字节边界结束。这是否是一个问题将取决于编译器/汇编器/链接器以及它放置东西的位置。正如我所说,我只是在做一个观察——我只看了你的代码
  • 是的,我在blank 区域设置了对齐方式。我确实设法将其缩小到失败的指令;我只是想念为什么。
  • 是的,这有效,但写入 [0xb8000] 不会发生。如果你有调试技巧,我可以连接 GDB。
  • 不,0xb8004 有效;只是 0xb8000 没有:imgur.com/a/4AKCx

标签: assembly nasm x86-64 paging osdev


【解决方案1】:

我将根据我所做的另一个实验进行有根据的猜测。我怀疑如果您向后滚动并查看抛出的异常(您的一张图像的开头被截断),您会在 QEMU 中看到如下输出:

check_exception old: 0xffffffff new 0xe
0: v=0e e=0009 i=0 cpl=0 ... [snip]

特别是您将寻找以 new 0xe 开头的异常,即 Page Fault Exception 。为了简洁起见,我已经剪掉了。

在第二行您可能会看到e=0009。这是在进入页面处理程序之前将被压入堆栈的错误代码。您没有页面处理程序,因此您会出现三重错误,之后您会遇到其他异常。

错误代码 0x0009 是什么意思? OSDev Wiki 有描述:

31              4               0
+---+--  --+---+---+---+---+---+---+
|   Reserved   | I | R | U | W | P |
+---+--  --+---+---+---+---+---+---+

P 1 bit - Present - When set, the page fault was caused by a page-protection violation.
                    When not set, it was caused by a non-present page.
W 1 bit - Write   - When set, the page fault was caused by a page write.
                    When not set, it was caused by a page read.
U 1 bit - User    - When set, the page fault was caused while CPL = 3. This does not
                    necessarily mean that the page fault was a privilege violation.
R 1 bit - Reserved write    - When set, the page fault was caused by
                              reading a 1 in a reserved field.
I 1 bit - Instruction Fetch - When set, the page fault was caused by 
                              an instruction fetch.

您的值 e=0009 是 01001 的位掩码。这意味着发生了页面保护违规(而不是 页面不存在错误),这意味着从保留字段。

所讨论的保留字段(位)位于页表层次结构底部的页表 (PT) 的实际页表条目 (PTE) 中。当使用 no Page Attribute Tables 的 2MB 页面大小时,页表中的 PTE 必须将第 12 位到第 20 位设置为零。您当前的代码就是这种情况。保留位的特殊之处在于,如果它们包含值 1,那么您将在 QEMU 输出中获得 e=0009

要解决此问题,您必须确保实际页表 (PT) 中的页表条目 (PTE) 将这些位设置为 0。快速破解可能是在 macros64.asm 中执行类似的操作:

%macro pte_write 4
    mov rax, %4
    or rax, %3
    mov qword [%1+8*%2], rax
%endmacro

%macro pte_write_res 4
    mov rax, %4
    mov r11, 0x7fffffffffe00000
    and r11, %3
    or  rax, r11
    mov qword [%1+8*%2], rax
%endmacro

主要区别在于pte_write_res 通过将保留位设为 0 来专门强制执行保留位规则。然后您必须修改使用这些宏的代码。在您的情况下,它似乎位于paging64.asm 内的这两个位置:

.kernel_loop:
    pte_write p2_krn, rcx, rsi, p_present | p_writable | p_pagesize
    inc rcx

现在会变成:

.kernel_loop:
    pte_write_res p2_krn, rcx, rsi, p_present | p_writable | p_pagesize
    inc rcx

.mbi_loop:
    pte_write p2_mbi, rcx, rsi, p_present | p_pagesize | p_noexec
    inc rcx

现在会变成:

.mbi_loop:
    pte_write_res p2_mbi, rcx, rsi, p_present | p_pagesize | p_noexec
    inc rcx

在这两种情况下,我们都需要写入页表的页表条目,其中 RSI 可能设置了我们需要为 0 的位。

【讨论】:

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