ЭВУ 2 семестр / Презентации ЭВУ в пдф / метода моховикова

Рис. 39. Формирование ли-

нейного адреса в защищенном режиме

Дескрипторы представляют собой 8-байтную структуру данных, исполь-

зуемую для определения свойств программных элементов, таких как сегмен-

ты, шлюзы и таблицы. Дескриптор определяет положение элемента в памяти,

размер занимаемой им области (лимит), его назначение и характеристики за-

щиты. Все дескрипторы хранятся в таблицах, обращение к которым поддер-

живается процессором аппаратно.

Защищенный режим предоставляет средства переключения задач. Со-

стояние каждой задачи (значение всех связанных с ней регистров процессо-

ра) может быть сохранено в специальном сегменте состояния задачи TSS (Task State Segment), на который указывает селектор в регистре задачи TR (Task Register). При переключении задач достаточно загрузить новый селек-

тор в регистр задачи, и состояние текущей задачи автоматически сохраняется в ее TSS, а в процессор загрузится состояние новой (возможно, ранее пре-

рванной) задачи и начнется (продолжится) ее выполнение.

Дескрипторы и привилегии являются основой системы защиты: деск-

рипторы определяют структуры программных элементов (без которых эти элементы невозможно использовать), а привилегии определяют возможность доступа к дескрипторам и выполнения привилегированных инструкций. Лю-

бое нарушение защиты приводит к возникновению специальных исключе-

ний, обрабатываемых ядром операционной системы.

Механизм виртуальной памяти позволяет любой задаче использовать логическое пространство размером до 64 Тбайт (16 К сегментов по 4 Гбайт).

Для этого каждый сегмент в своем дескрипторе имеет специальный бит, ко-

торый указывает на присутствие данного сегмента в оперативной памяти в

101

текущий момент времени. Неиспользуемый сегмент может быть выгружен из оперативной памяти во внешнюю (например, дисковую), о чем делается по-

метка в его дескрипторе. На освободившееся место из внешней памяти может восстанавливаться содержимое другого сегмента (этот процесс называется свопингом, или подкачкой), и в его дескрипторе делается пометка о присут-

ствии в памяти. При обращении задачи к отсутствующему сегменту процес-

сор вырабатывает соответствующее исключение, обработчик которого и за-

ведует виртуальной памятью в операционной системе.

Механизм страничной переадресации обеспечивает виртуализацию па-

мяти, адресуемой логическим адресом, на уровне страниц фиксированного размера после подкачки сегмента (страницы) выполнение задачи продолжа-

ется, так что виртуализация памяти для прикладных задач прозрачна (если не принимать во внимание задержку, вызванную подкачкой).

Процессор предоставляет только необходимые аппаратные средства поддержки защиты и виртуальной памяти, а их реальное использование и ус-

тойчивость работы программ и самой операционной системы защищенного режима зависят от корректности построения операционной системы и преду-

смотрительности ее разработчиков.

9.2. Особенности формирования физического адреса в защищенном режиме

Как отмечалось выше, защищенный режим сохранил сегментную мо-

дель памяти (адрес ячейки памяти определяется суммой компонент: адрес начала сегмента и внутрисегментного смещения). Но в отличие от режима реального адреса, где адрес сегмента находился непосредственно в одном из сегментных регистров, алгоритм формирования физического адреса в защи-

щенном режиме абсолютно иной.

Сегмент в защищенном режиме – это не просто область памяти, ограни-

ченная лишь максимально допустимым значением внутрисегментного сме-

102

щения, как это было в реальном режиме, – это «объект», который имеет стро-

го определенный размер.

Минимальный размер сегмента может быть равен 1 байт, а максималь-

ный – 1 Мб или 4 Гб (это зависит от того, умножается размер сегмента на 4

Кбайт или нет).

Этот сегмент:

не пересекается с другими сегментами (хотя один и тот же сегмент можно описать дважды);

имеет ряд других атрибутов, по которым, в частности, про-

исходит аппаратная защита памяти со стороны процессора;

каждый сегмент имеет свой дескриптор (описатель сегмента);

дескрипторы сегментов собираются в специализированных системных сегментах – дескрипторных таблицах.

10. Дескрипторы и таблицы

В системах на базе процессоров x86 допускается создание почти любого числа сегментов – необходимо только наличие соответствующего дескрипто-

ра. Все дескрипторы имеют длину 8 байт и хранятся в специальной области ОЗУ, называемой дескрипторной таблицей (descriptor table). Порядок разме-

щения дескрипторов произволен, а максимальное число дескрипторов – 8

192. Таким образом, максимальный размер дескрипторной таблицы – 64

Кбайт.

Дескрипторные таблицы – служебные структуры данных, содержащие дескрипторы сегментов. Существует три типа дескрипторных таблиц – гло-

бальная таблица дескрипторов (одна в системе); локальная таблица деск-

рипторов (своя для каждой задачи); таблица дескрипторов прерываний (рис.

40). Каждый дескриптор (элемент) таблицы описывает свой сегмент памяти,

причем сегменты памяти не пересекаются.

103

Адрес начала каждой из таблиц (указатель на начало табли-

цы) хранится в специальных (программно доступных) регистрах про-

цессора.

 Указатели на таблицу глобальных дескрипторов (GDTR) и

таблицу прерываний (IDTR) имеют размер 48 байт, 32 из которых ука-

зывают линейный адрес начала таблицы, а остальные 16 – ее размер

(предел).

Главной общесистемной таблицей дескрипторов является именно эта системная таблица. Таблицу GDT «коллективно используют» все задачи. Для определения начального адреса GDT предназначен специальный регистр микропроцессора – GDTR. Наличие GDT в системе обязательно при работе микропроцессора x86 в защищенном режиме. Общесистемной является также дескрипторная таблица прерываний. Она содержит в себе дескрипторы спе-

циальных объектов – шлюзов. Поскольку шлюзы определяют точки входа программ обработки прерываний и особых случаев, они служат заменой таб-

лицы векторов прерываний процессора i8086. Начальный адрес таблицы на-

ходится в системном регистре IDTR микропроцессора. Для каждой задачи в дополнение к таблице GDT можно построить свою, локальную дескриптор-

ную таблицу. Она определяет сегменты, доступные только этой, конкретной задаче. Эти таблицы не являются обязательными, создаются по мере надоб-

ности и хранятся в сегментах программы, на которых есть ссылка в GDT. Ло-

кальные таблицы используют 16-битный селектор, что упрощает манипуля-

цию с сегментами. Локальные дескрипторные таблицы могут участвовать в

104

свопинге памяти, как и обычные сегменты. Отправной точкой входа в деск-

риптор является селектор. Полный формат регистра селектора приведен на рис. 39.

Команды загрузки регистров-указателей таблиц (GDTR, LDTR, IDTR)

являются привилегированными (выполняются только на нулевом кольце привилегий). У регистра-указателя локальной дескрипторной таблицы

(LDTR) программно доступно только 16-битное поле селектора (индекса для

GDT), по которому из GDT автоматически загружаются программно недос-

тупные и невидимые поля базового адреса и размера таблицы (рис. 41). Ре-

гистр LDTR указывает на дескриптор в GDT, описывающий локальную деск-

рипторную таблицу для текущей задачи.

Рис. 41. Регистры различных дескрипторных таблиц

10.1. Глобальная таблица дескрипторов

Некоторые важные понятия о GTD (Global Descriptor Table):

●Глобальная дескрипторная таблица одна. Она общая для всех задач.

●Прежде чем процессор перейдет в PM (защищенный режим), должна быть определена GDT(глобальная таблица дескрипторов), так как все сегмен-

ты и прочие системные объекты должны быть описаны в дескрипторной таб-

лице;

105

● Процессору все равно, где именно вы расположили эту таблицу, но, в

любом случае, она будет находиться в первом мегабайте адресного простран-

ства, потому что только из режима реальных адресов можно перевести про-

цессор в защищенный режим.

● Таблица GDT будет выровнена на границу 8 байт, так как дескрипто-

ры, из которых она состоит, имеют 8-байтный размер. Выравнивание позво-

лит процессору максимально быстро обращаться к дескрипторам, что, есте-

ственно, увеличивает производительность.

● Число дескрипторов, определенных в GDT, может быть любым, от 0

до 8 192. Размер таблицы не может превышать 8 192 дескрипторов, посколь-

ку один дескриптор занимает 8 байт, а лимит в регистре GDTR – 2-байтный и хранит размер таблицы минус один (максимальное значение лимита – 65

535), а 8192x8 = 65 536.

● Нулевой дескриптор, т. е. определенный в самом начале GDT, процес-

сор не использует, обращение к такому дескриптору могло бы быть, когда поле Index селектора равно 0. Если все же в программе встречается обраще-

ние к нулевому дескриптору, то процессор генерирует исключение и не по-

зволит доступ к такому дескриптору.

● Нулевой дескриптор можно использовать как шаблон, на основе кото-

рого программа может создавать новые дескрипторы, но на практике их удобнее создавать иными способами3.

Особенности работы с GTD

Размер GDT желательно не менять в процессе выполнения программ в защищенном режиме. Если ваша программа будет динамически создавать новые дескрипторы, то размер GDT лучше всего заранее задать достаточно большим, например, 64 Кб (максимальный размер). Однако следует учиты-

вать, что при обращении процессора к несуществующим дескрипторам его поведение непредсказуемо, хотя оно, скорее всего, закончится зависанием.

3 Подробнее об этом см. [11], лекции с 15 по 17.

106

10.2. Категории дескрипторов

Основные дескрипторы подразделяются на следующие категории (см.

Прил. 2):

Дескрипторы адресных пространств:

1)сегмент кода;

2)сегмент данных;

3)сегмент состояния задачи.

Дескрипторы системных объектов:

1)шлюз вызова (ограниченно совместим);

2)шлюз задачи;

3)шлюз прерывания;

4)шлюз ловушки;

5)таблицы локальных дескрипторов.

Сам же формат дескриптора системных сегментов представлен на рис.

42, и содержит следующие компоненты: Размер – размер сегмента; Байт доступа – содержит информацию о защите сегмента; D – бит разрядности выполняемых команд (для кодового сегмента), в частности 0–16-разрядные,

1–32-разрядные; G – признак единицы измерения сегмента: 0 – в байтах, 1 –

в страницах (по 4 Кб), при использовании страничной адресации памяти;

AVL – сегмент доступен для использования системным программным обеспечением (используются только ОС).

Рис. 42. Формат дескриптора

107

ловушек только тем, что они запрещают прерывания (сбрасывают флаг IF в

регистре флагов EFLAGS), а шлюзы ловушек – нет. Для каждого типа шлю-

зов используются соответствующие дескрипторы шлюзов (Gate Descriptors).

10.4. Формат дескриптора

Теперь давайте рассмотрим общий формат дескриптора и так называе-

мые форматы дескриптора первой (дескриптор пространства) и второй (деск-

риптор системных объектов) групп (рис. 43).

Рис. 43.

Формат дескрипто-

ра

Общие поля-характеристики для обеих групп дескрипторов:

1.Наличие в ОЗУ [P – бит присутствия]

2.Уровень привилегий [DPL – 2 бит уровня доступа]

3.Расширенный тип** [ETYPE – 5 бит расширенного типа]

Выделим общие поля-характеристики дескрипторов 1-й группы:

1.Разрядность [D – бит разрядности, 16 бит/32 бит]

2.Гранулярность [G – бит дробности, 1 байт/4 Кб]

3.Сегмент/системный объект [S – бит типа сегмент/объект]

4.Собственные нужды ОС [AVL – бит нужд ОС]

5.Базовый адрес [BASE – 32 бит базового адреса]

6.Предел сегмента [LIMIT – 20 бит размера сегмента]

Выделим общие поля-характеристики дескрипторов 2-й группы:

* Расширенный тип введен для приведения всех типов дескрипторов разных групп к общему типу. Он учитывает значение поля S – системного бита.

109

1.Смещение [OFFSET – 32 бит смещения]

2.Селектор [SELECTOR – 15 бит]

3.Константа [CONST – 3 бит = 000]

Для 2-й группы дескриптор типа A является ограниченно совместимым c

другими дескрипторами этой группы из-за наличия поля COUNT – количест-

во параметров 5 бит. В принципе, это поле в других сегментах можно выде-

лить как резерв.

Таким образом, выделим две структуры данных для класса дескрипто-

ров (рассмотренные здесь конструкции структур прописаны на языке про-

граммирования Си):

«дескриптор пространства» – группа 1 (рис. 44):

Рис. 44. Дескриптор пространства

struct s_DSpace

{

word wLimit; word wBase_I; byte bBase_II; byte bAttr_I; byte bAttr_II; byte bBase_III; };

«дескриптор системных объектов» – группа 2 (рис. 45):

Рис. 45. Дескриптор системных объектов

struct s_DSysObj

{

word wOffset_I;

110