用户模式进程的I/O指令

Question

有两种方式访问硬件：

• 通过内存映射 I/O (MMIO)
• 通过 I/O 端口

如果用户模式进程想要在不使用系统调用的情况下直接访问 I/O，并且它知道某个特定的硬件，则它无法通过内存映射 I/O 访问它，因为它不在其地址空间中，因此将会发生分段错误。但是使用 I/O 端口来实现这一点又如何呢？由于I/O端口不在内存地址空间中，而是由处理器直接执行的指令访问，那么会发生什么情况，进程是否可以访问它们？

Answer 1

精简版

不。例如，在 x86 架构中，

in

和

out

是特权指令，只能在 Ring 0 中运行。由于用户模式应用程序在 Ring 3 中运行，因此 CPU 在尝试执行该指令时会出现故障。

长版

一般来说，在强制内存保护和进程分离的操作系统中（例如Windows、Linux、Mac OS，但不是DOS），用户模式应用程序无法直接访问硬件，而是使用系统调用来询问硬件内核代表它们执行所需的操作。然后内核可以决定应用程序是否有权执行所述操作、该操作是否安全等。

如果用户模式应用程序能够执行通常只能由内核完成的任何操作，那么它就是内核（或者有时是 CPU 本身）中的错误/后门和巨大的安全漏洞。

在 x86 架构上，I/O 端口指令在除实模式之外的所有操作模式下都具有特权。尝试执行任何特权指令都会生成故障（具体来说，

#GP

，一般保护故障，对应于

INT 0xD

）。

为了允许用户模式驱动程序等进程工作，操作系统能够通过两种方式覆盖 I/O 指令的特权状态：

1. 使用

   IOPL

   寄存器（位 12 和 13）中的

   FLAGS

   （I/O 权限级别）字段。这是一个从 0 到 3 的数字，指定可以运行 I/O 指令的最低特权环。将

   IOPL

   设置为 3 将允许所有进程访问任何 I/O 端口，这是不安全的，并且违背了保护内存等其他所有内容的目的。因此，操作系统通常将此字段设置为 0。
2. 使用任务状态段 (TSS) 结构中的

   IOPB

   （I/O 权限位图）位字段。这只是 65536 位的集合，每个位指定是否可以访问 I/O 端口 (

   0

   ) 或不可以 (

   1

   )。如果用户模式驱动程序需要访问端口

   0xAB

   ，那么操作系统可以清除 TSS 中的相应位，并允许用户模式代码仅访问该端口，即使是

   IOPL=0

   。如果操作系统不包含所有 65536 位，则 CPU 会假定缺少的部分具有特权，因此无法访问。

Answer 2

当然。访问 I/O 端口的权限位于标志寄存器的两位中。由于每个任务都有自己唯一的标志寄存器副本，因此每个任务可以具有不同的访问权限或 I/O 权限级别 (

IOPL

)。主要功能是执行 I/O（内核模式或用户模式驱动程序）的任务可以从

IOPL

的

3

中受益，从而允许任务的所有过程执行 I/O。其他任务通常将 IOPL 设置为

0

或

1

，保留为最具特权的过程执行 I/O 指令的权利。因此，如果您想访问特定任务的 I/O 端口，您应该为此任务设置

IOPL=3

。

在 Windows XP 等旧版 Windows 中，可以通过调用

NtSetInformationProcess

并将

ProcessInformationClass.ProcessUserModeIOPL

设置为

3

来完成。

不知道新版本。

这里有一个示例。