80386 任務狀態段 (TSS) 與控制門深度解析：硬體任務切換與特權轉移的核心機制

前言

在 80386 保護模式架構中，任務狀態段 (TSS) 與控制門 (Control Gates) 共同構成了硬體級任務管理與特權轉移的基石。TSS 保存任務完整上下文，控制門則提供受檢查的轉移入口。本文將系統剖析系統段描述符、各類門描述符、TSS 內部佈局、特權級轉移規則與任務切換流程。

一、系統段描述符：LDT 與 TSS 的元數據

1. 通用格式 (8 位元組)

位 63~56: 基址 31~24
位 55~52: G(粒度) D/B(預設大小) 0 AVL(可用) 界限 19~16
位 51~48: 界限 19~16 (續)
位 47:    P(段存在)
位 46~45: DPL(描述符特權級 0~3)
位 44:    DT(描述符類型) = 0 表示系統段
位 43~40: TYPE(系統段子類型)
位 39~32: 基址 23~16
位 31~16: 基址 15~0
位 15~0:  界限 15~0

關鍵區別：DT=1 為儲存段 (代碼/資料/堆疊)；DT=0 為系統段。TYPE 欄位編碼完全不同：

只有 TYPE=1,2,3,9,B 是真正的系統段描述符 (描述記憶體段)；其餘為門描述符 (描述轉移入口)。系統段選擇子不能直接讀寫段內容，需用別名技術 (建立對應資料段描述符) 訪問。

2. LDT 描述符範例

LDTABLE DESC <1Fh, 4321h, 65h, 82h, ,>  ; 界限=1Fh, 基址=654321h, DPL=0, TYPE=2(LDT)

載入 LLDT 指令時，描述符基址/界限/屬性自動載入 LDTR 隱藏快取。

3. TSS 描述符範例

TempTask DESC <104, 3456h, 12h, 89h, ,>  ; 界限=104(104 bytes), 基址=123456h, DPL=0, TYPE=9(可用386 TSS)

載入 LTR 或任務切換時，資訊載入 TR 隱藏快取。TYPE 位 0 (忙/可用) 由硬體自動維護：當前任務及鏈接任務為「忙」，其餘為「可用」。

二、門描述符：受控轉移的入口哨兵

1. 通用門格式 (8 位元組)

位 63~48: 偏移 31~16
位 47~16: 選擇子(16) + 屬性(16) + 雙字計數(5) + 000(3)
位 15~0:  偏移 15~0

屬性位組：P(1) DPL(2) DT=0 TYPE(4)。選擇子指向目標代碼段 (呼叫/中斷/陷阱門) 或 TSS 描述符 (任務門)。

2. 結構定義範例

GATE STRUC
OFFSETL DW 0      ; 偏移低 16
SELECTOR DW 0     ; 目標選擇子
DCOUNT  DB 0      ; 雙字計數 (僅呼叫門有效)
GTYPE   DB 0      ; P+DPL+DT+TYPE
OFFSETH DW 0      ; 偏移高 16
GATE ENDS

SUBRG GATE <3456h, 10h, , 8Ch+60h, 12h>  ; 386 呼叫門, 選擇子=10h, 偏移=123456h, DPL=3

3. 四大門類型功能對比

核心差異：中斷門進入時清 IF (屏蔽可屏蔽中斷)；陷阱門保留 IF。呼叫門獨有雙字計數字段，支援跨特權級參數傳遞。

三、任務狀態段 (TSS) 內部架構全景

386 TSS 基本區固定 104 位元組 (偏移 00h~67h)，五大功能區：

1. 鏈接字段 (Offset 00h, 4 bytes)

• 低 16 位：前一任務 TSS 選擇子；高 16 位保留 (0)。
• 任務由 CALL/JMP/Int 經任務門激活時，硬體自動填入被掛起任務 TSS 選擇子，並置 EFLAGS.NT=1。
• IRET (NT=1) 時沿此字段返回前一任務。

2. 內層堆疊指標區 (Offset 04h~1Fh, 24 bytes)

外層→內層轉移時，硬體自動從此區載入 SS:ESP；外層堆疊指標 (SS:ESP) 壓入新堆疊。硬體從不寫回此區，故內層堆疊視為「空堆疊」，不支援同級遞迴。

3. 位址映射暫存器區 (Offset 1Ch, 20h, 60h)

• CR3 (Offset 1Ch, 4 bytes)：頁目錄表物理基址。任務切換時自動載入 CR3，切換線性→物理映射。
• LDTR (Offset 60h, 2 bytes)：LDT 描述符選擇子。任務切換時自動載入 LDTR，切換虛擬→線性映射。

重要：硬體不自動儲存舊 CR3/LDTR 回 TSS。OS 若修改 CR3/LDTR，必須以別名技術手動更新 TSS 對應欄位。

4. 暫存器保存區 (Offset 20h~5Fh, 64 bytes)

依序保存：EIP、EFLAGS、EAX、ECX、EDX、EBX、ESP、EBP、ESI、EDI、ES、CS、SS、DS、FS、GS (各 4 bytes，段暫存器高 16 位置 0)。任務切出時自動存入，切入時自動恢復。

5. I/O 許可位圖基址與 T 旗標 (Offset 64h~66h)

• Offset 64h (Word)：I/O 位圖在 TSS 內偏移 (從 TSS 基址起算)。位圖大小可變，每 I/O 埠 1 位，CPL=3 存取時檢查。
• Offset 66h (Word, 實為 64h 同字低位)：T 旗標 (Bit 0)。=1 時任務切入後第一條指令前產生除錯陷阱 (向量 1)。

6. TSS 結構定義巨集 (MASM)

TSS STRUC
TRLink      DW 0, 0           ; 鏈接字段
TRESP0      DD 0              ; ESP0
TRSS0       DW 0, 0           ; SS0
TRESP1      DD 0              ; ESP1
TRSS1       DW 0, 0           ; SS1
TRESP2      DD 0              ; ESP2
TRSS2       DW 0, 0           ; SS2
TRCR3       DD 0              ; CR3
TREIP       DD 0              ; EIP
TREFlag     DD 0              ; EFLAGS
TREAX       DD 0              ; EAX
TRECX       DD 0              ; ECX
TREDX       DD 0              ; EDX
TREBX       DD 0              ; EBX
TRESP       DD 0              ; ESP
TREBP       DD 0              ; EBP
TRESI       DD 0              ; ESI
TREDI       DD 0              ; EDI
TRES        DW 0, 0           ; ES
TRCS        DW 0, 0           ; CS
TRSS        DW 0, 0           ; SS
TRDS        DW 0, 0           ; DS
TRFS        DW 0, 0           ; FS
TRGS        DW 0, 0           ; GS
TRLDTR      DW 0, 0           ; LDTR
TRTrip      DW 0              ; T 旗標 (Bit 0)
TRIOMap     DW ?              ; I/O 位圖偏移
TSS ENDS

四、任務切換完整流程

1. 觸發源：JMP/CALL 任務門或 TSS 描述符、IRET (NT=1)、中斷/異常經任務門。
2. 檢查目標 TSS 描述符：P=1、TYPE=可用 (1/9)、DPL ≥ CPL (任務門除外)。
3. 儲存當前上下文至舊 TSS (暫存器區、CR3、LDTR 不自動存)。
4. 標記舊 TSS 忙位=1，新 TSS 忙位=1 (若經任務門/CALL，舊 TSS 鏈接字段寫入新 TSS 選擇子，NT=1)。
5. 載入 TR 可見部 = 新 TSS 選擇子，隱藏快取 = 新 TSS 基址/界限/屬性。
6. 從新 TSS 載入：CR3、LDTR、暫存器區 (含 EIP/EFLAGS/通用暫存器/段暫存器)、SS0:ESP0~SS2:ESP2 (依 CPL 選擇)。
7. 若新 TSS T 旗標=1，執行第一條指令前產生除錯陷阱。
8. 開始執行新任務。

五、工程實踐要點

• TSS 界限：386 TSS 至少 104 (068h) 位元組；含 I/O 位圖時界限 = 104 + 位圖大小 + 1 (終止位)。
• 初始化順序：建立 GDT TSS 描述符 → 以別名寫入 TSS 初始值 (CR3、LDTR、SS0:ESP0 等) → LTR 載入 TR 啟動首個任務。
• 嵌套任務：僅 CALL/JMP 任務門、中斷任務門會建立鏈接 (NT=1)；IRET 返回時自動順鏈恢復。
• 效能考量：硬體任務切換 ~300 週期，遠慢於軟體切換 (現代 OS 多用軟體切換 + TSS 僅作 Ring 0 堆疊與 I/O 位圖)。

結語

TSS 與控制門是 80386 實現硬體強制多任務隔離、特權受控轉移的雙引擎。雖然現代作業系統為效能多採用軟體調度，但 TSS 仍保留關鍵角色：Ring 0 堆疊指標、I/O 許可位圖、雙重錯誤/機器檢查等致命異常的專用 TSS。深入理解其結構與硬體流程，是作業系統核心開發、Hypervisor 編寫、安全研究的核心基本功。

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