ED - направления распространения сегмента (ED = 0 для обычного сегмента данных, распространяющегося в сторону увеличения адресов, ED = 1 для стекового сегмента данных, распространяющегося в сторону уменьшения адресов),
W - поле разрешения записи в сегмент (при W=1 запись разрешена, при W=0 - запрещена),
A - поле доступа к сегменту (1 означает, что после очистки этого поля к сегменту было обращение по чтению или записи, это поле может использоваться операционной системой в ее стратегии замены страниц в оперативной памяти).
Для сегмента кода используются однобитные признаки:
A - имеет смысл, аналогичный полю A сегмента данных,
R - разрешает или запрещает чтение из кодового сегмента,
C - бит подчинения, разрешает или запрещает вызов данного кодового сегмента из другого кодового сегмента с более низкими правами доступа.
В процессоре i386 существует большое количество системных сегментов, к которым в частности относятся системные сегменты типа LDT, шлюзы вызова подпрограмм и задач и сегменты состояния задачи TSS.
Таким образом, для использования чисто сегментного механизма процессора i386 операционной системе необходимо сформировать таблицы GDT и LDT, загрузить их в память (для начала достаточно загрузить только таблицу GDT), загрузить указатели на эти таблицы в регистры GDTR и LDTR и выключить страничную поддержку. Если же операционная система не хочет использовать сегментную организацию виртуальной памяти, то ей достаточно создать таблицу дескрипторов из одного входа (дескриптора) и загрузить базовые значения сегмента в дескриптор. Виртуальное адресное пространство задачи будет состоять из одного сегмента длиной максимум в 4 Гбайта.
Сегментно-страничный механизм
При включенной системе управления страницами работает как описанный выше сегментный механизм, так и механизм управления страницами, однако при этом смысл работы сегментного механизма меняется. В этом случае виртуальное адресное пространство задачи имеет размер в 4 Гбайта, в котором размещаются все сегменты (рисунок 2.22). По прежнему селектор задачи определяет номер виртуального сегмента, а смещение в команде задачи - смещение внутри этого сегмента. Так как теперь все сегменты разделяют одно адресное пространство, то возможно их наложение, но процессор не контролирует такие ситуации, оставляя эту проблему операционной системе. Первый этап преобразования виртуального адреса, связанный с преобразованием смещения и селектора с использованием таблиц GDT и LDT, содержащих дескрипторы сегментов, в точности совпадает с этапом преобразования этих данных при отключенном механизме управления страницами. Все структуры данных этих таблиц такие же. Однако, если раньше дескриптор сегмента содержал его базовый адрес в физическом адресном пространстве, и при сложении его со смещением из команды программы получался линейный искомый адрес в физической памяти, то теперь дескриптор содержит базовый адрес сегмента в виртуальном адресном пространстве. Поэтому в результате его сложения со смещением получается линейный виртуальный адрес, который на втором этапе (страничном) преобразуется в номер физической страницы. Для реализации механизма управления страницами как физическое, так и виртуальное адресное пространства разбиты на страницы размером 4 К. Всего в этих адресных пространствах насчитывается 1 М страниц. Несмотря на наличие нескольких виртуальных сегментов, все виртуальное адресное пространство задачи имеет общее разбиение на страницы, так что нумерация виртуальных страниц сквозная.
Линейный виртуальный адрес содержит в своих старших 20 разрядах номер виртуальной страницы, а в младших 12 разрядах смещение внутри страницы. Для отображения виртуальной страницы в физическую достаточно построить таблицу страниц, каждый элемент которой - дескриптор виртуальной страницы - содержал бы номер соответствующей ей физической страницы и ее атрибуты. В процессоре i386 так и сделано, и структура дескриптора страницы показана на рисунке 2.23. 20-ти разрядов номера страницы достаточно для определения физического адреса начала страницы, так как при ее фиксированном размере 4 К младшие 12 разрядов этого адреса всегда равны нулю. Дескриптор страницы также содержит следующие поля, близкие по смыслу соответствующим полям дескриптора сегмента:
P - бит присутствия страницы в физической памяти,
W - бит разрешения записи в страницу,
U - бит пользователь/супервизор
A - признак того, был ли доступ к странице,
D - признак модификации содержимого страницы,
PWT и PCD - управляют механизмом кэширования страниц (введены, начиная с процессора i486),
AVL - резерв для нужд операционной системы (available for use).
Рис. 2.22. Сегментно-страничный механизм
Рис. 2.23. Формат дескриптора страницы
При небольшом размере страницы процессора i386 относительно размеров адресных пространств, таблица страниц должна занимать в памяти весьма значительное место - 4 байта ( 1М = 4 Мбайта. Это слишком много для нынешних моделей персональных компьютеров, поэтому в процессоре i386 используется деление всей таблицы страниц на разделы по 1024 дескриптора. Размер раздела выбран так, чтобы один раздел занимал одну физическую страницу (1024 ( 4 байта = 4 Кбайта). Всего получается 1024 раздела (1024 ( 1024 = 1М). Для того, чтобы не хранить все разделы таблицы страниц одновременно в физической памяти, используется каталог разделов таблицы страниц, который использует такие же по структуре дескрипторы страниц, что и в таблице страниц. Поэтому для хранения информации о дескрипторах 1024 разделов необходима память 4 К, т.е. одна физическая страница. Совокупность дескрипторов, описывающих состояние и характеристики виртуальных страниц разделов таблицы страниц, называется каталогом разделов или таблиц. Виртуальная страница, хранящая содержимое каталога, всегда находится в физической памяти, и номер ее физической страницы указан в специальном управляющем регистре CR3 процессора (точнее, в одном из полей этого регистра).
Преобразование линейного виртуального адреса в физический происходит следующим образом (рисунок 2.24). Поле номера виртуальной страницы (старшие 20 разрядов) делится на две равные части по 10 разрядов - поле номера раздела и поле номера страницы в разделе. С помощью номера физической страницы, хранящей каталог и смещения в этой странице, задаваемого полем номера раздела, процессор находит дескриптор виртуальной страницы раздела. В соответствии с атрибутами этого дескриптора определяются права доступа к этой странице, а также наличие ее в физической памяти. В случае ее отсутствия происходит страничное прерывание, и операционная система должна в этом случае переместить ее в память. После того, как нужная страница находится в памяти, для определения адреса элемента данных используется смещение, определяемое полем номера страницы линейного виртуального адреса.
Таким образом, при доступе к странице в процессоре используется двухуровневая схема адресации страниц, что замедляет преобразование, но позволяет использовать страничный механизм и для хранения самой таблицы страниц, и существенно уменьшить объем физической памяти для ее хранения. Для ускорения страничных преобразований в блоке управления страницами используется ассоциативная память, в которой кэшируется 32 комбинации "номер виртуальной страницы - номер физической страницы". Эта специальная кэш-память (дополнительная по отношению к 8 Кбайтному кэшу данных процессоров i486 и Pentium) значительно ускоряет преобразование адресов, так как в случае попадания в кэш длительный процесс, описанный выше, исключается.
Рис. 2.24. Преобразование линейного виртуального адреса в физический адрес
Организация виртуальной памяти в процессоре i386 позволяет защитить адресные пространства различных процессов за счет двух механизмов:
Изоляция адресных пространств процессов в физической памяти путем назначения им различных физических страниц или сегментов (если страничный механизм отключен).
Защита сегментов от несанкционированного доступа с помощью привилегий четырех уровней.
Средства вызова подпрограмм и задач
Операционная система, как однозадачная, так и многозадачная, должна предоставлять задачам средства вызова подпрограмм операционной системы, библиотечных подпрограмм, а также иметь средства для запуска задач, а при многозадачной работе средства быстрого переключения с задачи на задачу. Вызов подпрограммы отличается от запуска задачи тем, что в первом случае адресное пространство остается тем же (таблица LDT остается прежней), а при вызове задачи адресное пространство полностью меняется.
Вызов подпрограмм без смены кодового сегмента в защищенном режиме процессора i386 производится аналогично вызову в реальном режиме с помощью команд JMP и CALL.
Для вызова подпрограммы, код которой находится в другом сегменте (который может принадлежать библиотеке, другой задаче или операционной системе), процессор i386 предоставляет 2 варианта вызова, причем оба используют защиту с помощью прав доступа.
Первый способ состоит в непосредственном указании в поле команды JMP или CALL селектора сегмента, содержащего код вызываемой подпрограммы, а также смещение в этом сегменте адреса начала подпрограммы.
Рис. 2.25. Непосредственный вызов подпрограммы
Схема такого вызова приведена на рисунке 2.25. Здесь и далее показан только этап получения линейного адреса в виртуальном пространстве, а следующий этап (подразумевается, что механизм поддержки страниц включен) преобразования этого адреса в номер физической страницы опущен, так как он не содержит ничего специфического по сравнению с доступом к сегменту данных, рассмотренному выше. Разрешение вызова происходит в зависимости от значения поля C в дескрипторе сегмента вызываемого кода. При C=0 вызываемый сегмент не считается подчиненным, и вызов разрешается, только если уровень прав вызывающего кода не меньше уровня прав вызываемого сегмента. При C=1 вызываемый сегмент считается подчиненным и допускает вызов из кода с любым уровнем прав доступа, но при выполнении подпрограмма наделяется уровнем прав вызвавшего кода.
Рис. 2.26. Формат дескриптора шлюза вызова подпрограммы
Рис. 2.27. Вызов подпрограммы через шлюз вызова
Очевидно, что первый способ непригоден для вызова функций операционной системы, имеющей обычно нулевой уровень прав, из пользовательской программы, работающей, как правило, на третьем уровне. Поэтому процессор i386 предоставляет другой способ вызова подпрограмм, основанный на том, что заранее определяется набор точек входа в привилегированные кодовые сегменты, и эти точки входа описываются с помощью специальных дескрипторов - дескрипторов шлюзов вызова подпрограмм. Этот дескриптор принадлежит к системным дескрипторам, и его структура отличается от структуры дескрипторов сегментов кода и данных (рисунок 2.26). Схема его использования приведена на рисунке 2.27. Селектор из поля команды CALL используется для указания на дескриптор шлюза вызова подпрограммы в таблицах GDT или LDT. Для использования этого дескриптора вызывающий код должен иметь не меньший уровень прав, чем дескриптор, но если дескриптор шлюза доступен, то он может указывать на дескриптор сегмента вызываемого кода, имеющий более высокий уровень, чем имеет шлюз, и вызов при этом произойдет. При определении адреса входа в вызываемом сегменте смещение из поля команды CALL не используется, а используется смещение из дескриптора шлюза, что не дает возможности задаче самой определять точку входа в защищенный кодовый сегмент.
При вызове кодов, обладающих различными уровнями привилегий, возникает проблема передачи параметров между различными стеками, так как для надежной защиты задачи различного уровня привилегий имеют различные сегменты стеков. Селекторы этих сегментов хранятся в контексте задачи - сегменте TSS (Task State Segment). Если вызывается подпрограмма, имеющая другой уровень привилегий, то из текущего стека в стек уровня доступа вызываемого сегмента копируется столько 32-разрядных слов, сколько указано в поле счетчика слов дескриптора шлюза.
Структура сегмента TSS задачи приведена на рисунке 2.28. Контекст задачи должен содержать все данные для того, чтобы можно было восстановить выполнение прерванной в произвольный момент времени задачи, то есть значения регистров процессора, указатели на открытые файлы и некоторые другие, зависящие от операционной системы, переменные. Скорость переключения контекста в значительной степени влияет на скоростные качества многозадачной операционной системы. Процессор i386 производит аппаратное переключение контекста задачи, хранящегося в сегменте TSS. Как видно из рисунка, сегмент TSS имеет фиксированные поля, отведенные для значений регистров процессора, как универсальных, так и некоторых управляющих (например LDTR и CR3). Для описания возможностей доступа задачи к портам ввода-вывода процессор использует в защищенном режиме поле IOPL (Input/Output Privilege Level) в своем регистре EFLAGS и карту битовых полей доступа к портам. Для получения возможности выполнять команды ввода-вывода выполняемый код должен иметь уровень прав не ниже значения поля IOPL. Если же это условие соблюдается, то возможность доступа к порту с конкретным адресом определяется значением соответствующего бита в карте ввода-вывода сегмента TSS (карта состоит из 64 Кбит для описания доступа к 65536 портам).
Битовая карта ввода/вывода (БКВВ)
|
(
(8 Кбайт
|
Дополнительная информация ОС
|
|
Относительный адрес БККВ
|
0
|
. . .0T64
|
0
|
. . .
|
0
|
Селектор LDT
|
60
|
0
|
. . .
|
0
|
|
GS
5C
|
0
|
. . .
|
0
|
|
FS
58
|
0
|
. . .
|
0
|
|
DS
54
|
0
|
. . .
|
0
|
|
SS
50
|
0
|
. . .
|
0
|
|
CS
4C
|
0
|
. . .
|
0
|
|
ES
48
|
EDI
|
44
|
ESI
|
40
|
EBP
|
3C
|
ESP
|
38
|
EBX
|
34
|
EDX
|
30
|
ECX
|
2C
|
EAX
|
28
|
EFLAGS
|
24
|
EIP
|
20
|
CR3
|
1C
|
0
|
. . .
|
0
|
SS уровня 2
|
18
|
ESP2
|
14
|
0
|
. . .
|
0
|
SS уровня 1
|
10
|
ESP1
|
C
|
0
|
. . .
|
0
|
SS уровня 0
|
8
|
ESP0
|
4
|
0
|
. . .
|
0
|
Селектор TSS возврата
|
0
|
|
