32. Управление сегментами в защищенном режиме. Дескрипторы и дескрипторные таблицы.

Защищенный режим (Protected Mode)

Защищенный режим – основной режим работы МП. Ключевые особенности защищенного режима: виртуальное адресное пространство, защита и многозадачность. МП может быть переведен в защищенный режим установкой бита 0 (Protect Enable) в регистре CR0. Вернуться в режим реального адреса МП может по сигналу RESET или сбросом бита PE (в Intel-286 недоступно).

Этот режим имеет сложную конструкцию по сравнению с реальным. Логический адрес представляется конструкцией "селектор:смещение". Селектор находится в пределах от 0 до 0FFFFh (на самом деле, селекторов в 4 раза меньше). Смещение, в отличие от реального режима, является 32-разрядным, что позволяет адресовать сегменты размером 4 гигабайт. Логический адрес преобразуется в линейный по следующей схеме:

линейный адрес = база сегмента + смещение

В защищенном режиме программа оперирует с адресами, которые могут относиться к физически отсутствующим ячейкам памяти, поэтому такое адресное пространство называется виртуальным. Размер виртуального адресного пространства программы может превышать емкость физической памяти и достигать 64 Тбайт.

Преобразование логического адреса в физический происходит в два этапа. Сначала блок управления сегментами выполняет трансляцию адреса в соответствии с сегментированной моделью памяти, получая 32-битный линейный адрес. Затем блок страничного преобразования выполняет разбиение на страницы, преобразуя 32-битный линейный адрес в 32-битный или 36-битный (P6) физический. МП не предусматривает механизмов запрещения сегментации; с другой стороны, страничная трансляция есть опциональный механизм, и может использоваться либо не использоваться в зависимости от особенностей операционной системы.

В рамках сегментированной модели адресации для программы память представляется группой независимых адресных блоков, называемых сегментами. Для адресации байта памяти программа должна использовать логический адрес, состоящий из селектора сегмента и смещения. Селектор сегмента выбирает определенный сегмент, а смещение указывает на конкретный байт в адресном пространстве выбранного сегмента. Селектор сегмента может находиться либо непосредственно в коде команды, либо в одном из сегментных регистров. Смещение также может либо непосредственно находиться в коде команды, либо вычисляться на основе значений регистров общего назначения.

С каждым сегментом связана особая структура, хранящая информацию о нем: дескриптор. Дескриптор – это 8-байтная единица описательной информации, распознаваемая устройством управления памятью в защищенном режиме, хранящаяся в дескрипторной таблице. Дескриптор сегмента содержит базовый адрес описываемого сегмента, предел сегмента и права доступа к сегменту. В защищенном режиме сегменты могут начинаться с любого линейного адреса (который называется базовым адресом сегмента) и иметь любой предел вплоть до 4 Гбайт.

Дескрипторные таблицы – это массивы памяти переменной длины, содержащие 8-байтные элементы: дескрипторы. Дескрипторная таблица может иметь длину от 8 байт до 64 Кбайт и в каждой таблице может быть до 8192 дескрипторов. Существуют две обязательных дескрипторных таблицы, см. главу 5 – глобальная дескрипторная таблица (Global Descriptor Table - GDT) и дескрипторная таблица прерывания (Interrupt Descriptor Table - IDT), а также множество (вплоть до 8191) необязательных локальных дескрипторных таблиц (Local Descriptor Table - LDT), из которых в каждый момент времени процессору доступна только одна. Расположение дескрипторных таблиц определяется регистрами процессора GDTR, IDTR, LDTR.

GDT содержит дескрипторы, доступные всем задачам в системе. GDT может содержать дескрипторы любых типов: и дескрипторы сегментов, и системные дескрипторы (кроме шлюзов прерываний и ловушек). Первый элемент GDT (с нулевым индексом) не используется. Ему соответствует нуль-селектор, обозначающий "пустой" указатель.

LDT обеспечивают способ изоляции сегментов программы и данных исполняемой задачи от других задач. LDT связана с конкретной задачей и может содержать только дескрипторы сегментов, шлюзы вызовов и шлюзы задач.

Сегмент не может быть доступен задаче, если его дескриптор не существует ни в текущей таблице LDT, ни в таблице GDT. Использование двух дескрипторных таблиц позволяет, с одной стороны, изолировать и защищать сегменты исполняемой задачи, а с другой – позволяет разделять глобальные данные и код между различными задачами.

IDT может содержать только шлюзы задач, шлюзы прерываний или шлюзы ловушек.

Для вычисления линейного адреса МП выполняет следующие действия см. рис. 8.1.

МП использует селектор сегмента для нахождения дескриптора сегмента. Селектор содержит индекс дескриптора в дескрипторной таблице (Index), бит TI, определяющий, к какой дескрипторной таблице производится обращение (LDT или GDT), а также запрашиваемые права доступа к сегменту (RPL). Если селектор хранится в сегментном регистре, то обращение к дескрипторным таблицам происходит только при загрузке селектора в сегментный регистр, т. к. каждый сегментный регистр хранит соответствующий дескриптор в программно-недоступном ("теневом") регистре-кэше.

МП анализирует дескриптор сегмента, контролируя права доступа (сегмент доступен с текущего уровня привилегий) и предел сегмента (смещение не превышает предел);

МП добавляет смещение к базовому адресу сегмента и получает линейный адрес.

Если страничная трансляция отключена, то сформированный линейный адрес считается физическим и выставляется на шину процессора для выполнения цикла чтения или записи памяти.

Рис. 8.1. Схема преобразования логического адреса в линейный