Сборка Часть2 / АВМиС / Лекции / Исследование работы IA

Исследование работы IA-32 в защищенном режиме

Цель работы: Познакомится с особенностями написания программы для защищенного режима. На примере конкретной программы пронаблюдать механизмы формирования линейного адреса в различных режимах работы процессора.

Теоретическая часть

Основным режимом работы 32-битных процессоров семейства IA-32 является защищенный. В реальном режиме происходит лишь инициализация системы, иногда он используется для выполнения старых приложений для процессоров 8086/88 и 80286. Механизмы защиты, многозадачность, страничное преобразование, полноценное выполнение 32-битного кода и многие другие возможности 32-битных процессоров доступны лишь в защищенном режиме.

Прежде, чем перевести процессор в защищенный режим, следует подготовить дескрипторные таблицы (глобальную и для прерываний), а также таблицы, необходимые для страничного преобразования (если система собирается его использовать). Переход в защищенный режим происходит после выставления младшего бита в регистре CR0 (MSW), затем следует выполнить далекий межсегментный переход (FAR JUMP) для очистки кэша команд:

MOV EAX,1

MOV CR0,EAX

JMP DWORD PTR [PMEntry]

При использовании 32-битной операционной системы для защищенного режима пользовательским программам нет необходимости в таких действиях. Среду для защищенного режима подготавливает сама операционная система. Прикладная программа может считать, что уже работает в линейном 4Гбайтном пространстве.

Пример для Windows (tasm32)

Пример для Linux (nasm)

.386 ; "плоская" модель - для защищенного режима MODEL FLAT .DATA ; сегмент данных Msg DB "Hello, world",0 .CODE ; сегмент кода Entry: ; точка входа в программу SUB EBX,EBX PUSH EBX ; флаги (0=MB_OK) PUSH EBX ; адрес текста заголовка PUSH OFFSET Msg ; адрес контента PUSH EBX ; дескриптор окна ; вызов WinAPI MessageBox(NULL,Msg,NULL,MB_OK) CALL MessageBoxA PUSH EBX ; код возврата ; вызов WinAPI ExitProcess(0) CALL ExitProcess END Entry

section .data ; сегмент данных Msg: DB "Hello, world",10 section .code ; сегмент кода global _start _start: ; точка входа в программу MOV ECX,Msg ; адрес буфера MOV EDX,13 ; длина сообщения l1: MOV EBX,1 ; дескриптор файла (stdout) ; вызов write(1,Msg,13) MOV EAX,4 INT 80h CMP EAX,-4096 JA skip ; в EAX кол-во выведенных байт ADD ECX,EAX SUB EDX,EAX JNZ l1 ; при необходимости выводим остаток skip: SUB EBX,EBX ; код возврата ; вызов exit(0) MOV EAX,1 INT 80h HLT

Если операционная система не предназначена для работы в защищенном режиме (например, DOS), можно использовать различные системные средства для перехода в защищенный режим. Наиболее предпочтительны следующие средства (в порядке уменьшения предпочтительности):

1. DPMI - DOS Protected Mode Interface (реализован в DOS/4G, Quarterdeck DPMI, Borland DOS Extender, а также во всех версиях Windows).

2. VCPI - Virtual Control Program Interface (реализуется драйвером EMS).

3. INT 15h (реализуется BIOS).

DPMI обеспечивает программам для DOS доступ к памяти выше 1Мб, предоставляя программный интерфейс к некоторым функциям BIOS и DOS в защищенном режиме. Этот интерфейс содержит функции, позволяющие программам в защищенном режиме резервировать память, дескрипторы, вызывать код в режиме V86.

Прежде, чем воспользоваться сервисами DPMI, программа должна переключиться в защищенный режим с помощью предназначенной для этого функции. Для перехода в защищенный режим программа должна сделать межсегментный вызов (FAR CALL) по адресу, возвращаемому функцией:

MOV AX,1687h

INT 2Fh

Если DPMI присутствует, и вызов прошел успешно, AX=0, DX содержит версию DPMI, SI содержит количество параграфов, необходимых для служебных данных DPMI, а ES:DI - адрес процедуры переключения в защищенный режим. В случае ошибки AX - не ноль. Перед тем, как вызвать процедуру переключения, программа резервирует память указанного размера и помещает в ES соответствующий сегментный адрес.

TEST AX,AX

JNZ Error

MOV [PM_Entry+2],ES

MOV [PM_Entry],DI

MOV BX,SI

MOV AH,48h

INT 21h ; резервируем память под служебные данные DPMI

; перед использованием функции 48h

; программа должна вернуть DOS неиспользуемую память

; при помощи функции 4Ah

MOV ES,AX

Кроме этого, процедура переключения рассматривает младший бит в регистре AX как признак 32-битного режима. Если бит выставлен, то после переключения программа будет выполняться в 32-битном сегменте кода.

SUB AX,AX

CALL DWORD PTR [PM_Entry]

JC Error

Если переключение прошло успешно, флаг переноса (CF) равен 0. Программа работает в защищенном режиме. Сегментные регистры содержат селекторы дескрипторов сегментов с соответствующими базовыми адресами и пределами в 64К (ES содержит селектор сегмента с PSP, его предел - 256 байт). В дальнейшем доступны сервисы DPMI, которые вызываются при помощи программного прерывания INT 31h. Завершение программы защищенного режима возможно при помощи функции AH=4Ch прерывания INT 21h. Спецификация DPMI декларирует доступность лишь этой функции DOS. Однако многие реализации, например, DPMI в Microsoft Windows, обеспечивают функционирование и других функций DOS (01h-0Ch - ввод с клавиатуры, вывод на экран; 39h-43h - работа с файлами и каталогами и некоторые другие).

Вот некоторые сервисы DPMI INT 31h (подробнее см. Tech! Help v.6.0):

Номер функции (значение AX)	Назначение
0000h	Зарезервировать дескриптор в LDT
0001h	Освободить дескриптор в LDT
0002h	Конвертировать сегмент реального режима в дескриптор
0006h	Получить базовый адрес сегмента
0007h	Установить базовый адрес сегмента
0008h	Установить предел сегмента
0009h	Установить права доступа дескриптора
000Bh	Получить дескриптор
000Ch	Установить дескриптор
0100h	Зарезервировать память в DOS
0101h	Освободить память в DOS
0102h	Изменить размер памяти, зарезервированной в DOS
02xxh	Получение и установка прерываний и исключений для реального и защищенного режима
0300h	Вызов программного прерывания в реальном режиме
0301h - 0302h	Вызов процедуры в реальном режиме
0303h	Зарезервировать новый шлюз переключения из реального в защищенный режим
0304h	Освободить шлюз переключения из реального в защищенный режим
0306h	Получить шлюзы переключения между режимами
0400h	Получить версию DPMI
0500h	Получить информацию о свободной памяти
0501h	Зарезервировать блок памяти
0502h	Освободить блок памяти
0503h	Изменить размер зарезервированного блока памяти
06xxh	Управление подкачкой
и др.

Задание:

1) Напишите программу для Windows или для Linux, выводящую значения сегментных регистров. По этим значениям выясните уровень привилегий, с которым запущена ваша программа, а также в какой дескрипторной таблице содержатся дескрипторы, соответствующие селекторам.

Для того, чтобы использовать в программе вызовы Windows API, в тексте программы следует определить соответствующие символы как внешние, с помощью следующих директив ассемблера:

INCLUDELIB import32.lib

EXTRN MessageBoxA:NEAR

EXTRN ExitProcess:NEAR

При компиляции программы, используйте опцию /ml для того, чтобы в объектный файл эти символы были включены с учетом регистра. Компоновщику TLINK32 следует указать опцию /Tpe, отвечающую за генерацию исполняемого файла для Win32. При необходимости также укажите при помощи /L путь к библиотеке import32.lib (например, D:ASMLIB).

Стандартной для Linux ассемблерной семантикой является семантика AT&T, которая существенно отличается от принятой Intel (например, TASM/MASM для DOS и Windows). Однако существуют и средства для использования семантики Intel: as86 или nasm. В данной работе приведены примеры для использования nasm. Чтобы транслировать исходный текст test32.asm в исполняемый файл, необходимы следующие команды:

nasm -f elf test32.asm

ld test32.o -o test32

Опция -f в команде nasm указывает формат выходного файла - ELF (executable linux format). В результате работы ассемблера nasm получается объектный файл test32.o, который необходимо обработать редактором связей ld. Опция -o в команде ld задает имя выходного файла. Если ее не указывать, исполняемый файл будет записан в a.out.