Assembler - язык неограниченных возможностей
Адресация в защищенном режиме
Прежде чем познакомиться с программированием в защищенном режиме, рассмотрим механизм адресации, применяющийся в нем. Так же как и в реальном режиме, адрес складывается из адреса начала сегмента и относительного смещения, но если в реальном режиме адрес начала сегмента просто лежал в соответствующем сегментном регистре, деленый на 16, то в защищенном режиме не все так просто. В сегментных регистрах находятся специальные 16-битные структуры, называемые селекторами и имеющие следующий вид:
биты 15 – 3: номер дескриптора в таблице
бит 2: индикатор таблицы 0/1 — использовать GDT/LDT
биты 1 – 0: уровень привилегий запроса (RPL)
Уровень привилегий запроса — это число от 0 до 3, указывающее уровень защиты сегмента, для доступа к которому используется данный селектор. Если программа имеет более высокий уровень привилегий, при использовании этого сегмента привилегии понизятся до RPL. Уровни привилегий и весь механизм защиты в защищенном режиме нам пока не потребуется.
GDT и LDT — таблицы глобальных и локальных дескрипторов соответственно. Это таблицы восьмибайтных структур, называемых дескрипторами сегментов, в которых и находится начальный адрес сегмента вместе с другой важной информацией:
слово 3 (старшее):
биты 15 – 8: биты 31 – 24 базы
бит 7: бит гранулярности (0 — лимит в байтах, 1 — лимит в 4-килобайтных единицах)
бит 6: бит разрядности (0/1 — 16-битный/32-битный сегмент)
бит 5: 0
бит 4: зарезервировано для операционной системы
биты 3 – 0: биты 19 – 16 лимита
слово 2:
бит 15: бит присутствия сегмента
биты 14 – 13: уровень привилегий дескриптора (DPL)
бит 12: тип дескриптора (0 — системный, 1 — обычный)
биты 11 – 8: тип сегмента
биты 7 – 0: биты 23 – 16 базы
слово 1: биты 15 – 0 базы
слово 0 (младшее): биты 15 – 0 лимита
Два основных поля в этой структуре, которые нам интересны, — это база и лимит сегмента. База представляет линейный 32-битный адрес начала сегмента, а лимит — это 20-битное число, которое равно размеру сегмента в байтах (от 1 байта до 1 мегабайта), если бит гранулярности сброшен в ноль, или в единицах по 4096 байт (от 4 Кб до 4 Гб), если он установлен в 1. Числа отсчитываются от нуля, так что лимит 0 соответствует сегменту длиной 1 байт, точно так же, как база 0 соответствует первому байту памяти.
Остальные элементы дескриптора выполняют следующие функции:
Бит разрядности: для сегмента кода этот бит указывает на разрядность операндов и адресов по умолчанию. То есть в сегменте с этим битом, установленным в 1, все команды будут интерпретироваться как 32-битные, а префиксы изменения разрядности адреса или операнда будут превращать их в 16-битные, и наоборот. Для сегментов данных этот бит управляет тем, какой регистр (SP или ESP) используют команды, работающие с этим сегментом данных как со стеком.
Поле DPL определяет уровень привилегий сегмента.
Бит присутствия указывает, что сегмент реально есть в памяти. Операционная система может выгрузить содержимое сегмента из памяти на диск и сбросить этот бит, а когда программа попытается к нему обратиться, произойдет исключение, обработчик которого снова загрузит содержимое этого сегмента в память.
Бит типа дескриптора — если он равен 1, сегмент является обычным сегментом кода или данных. Если этот бит — 0, дескриптор является одним из 16 возможных видов, определяемых полем типа сегмента.
Тип сегмента: для системных регистров в этом поле находится число от 0 до 15, определяющее тип сегментов (LDT, TSS, различные шлюзы), которые рассмотрены в главе 9. Для обычных сегментов кода и данных эти четыре бита выполняют следующие функции:
бит 11: 0 — сегмент данных, 1 — сегмент кода
бит 10: для данных — бит направления роста сегмента
для кода — бит подчинения
бит 9: для данных — бит разрешения записи
для кода — бит разрешения чтения
бит 8: бит обращения
Бит обращения устанавливается в 1 при загрузке селектора этого сегмента в регистр.
Бит разрешения чтения/записи выбирает разрешаемые операции с сегментом — для сегмента кода это могут быть выполнение или выполнение/чтение, а для сегмента данных — чтение или чтение/запись.
Бит подчинения указывает, что данный сегмент кода является подчиненным. Это значит, что программа с низким уровнем привилегий может передать управление в этот сегмент и текущий уровень привилегий не изменится.
Бит направления роста сегмента обращает смысл лимита сегмента. В сегментах с этим битом, сброшенным в ноль, допустимы все смещения от 0 до лимита, а если этот бит — 1, то допустимы все смещения, кроме смещений от 0 до лимита. Про такой сегмент говорят, что он растет сверху вниз, так как если лимит, например, равен –100, допустимы смещения от –100 до 0, а если лимит увеличить, станут допустимыми еще меньшие смещения.
Для обычных задач программирования нам не потребуется все многообразие возможностей адресации. Все, что нам нужно, — это удобный неограниченный доступ к памяти. Поэтому мы будем рассматривать простую модель памяти — так называемую модель flat, в которой базы всех регистров установлены в ноль, а лимиты — в 4 Гб. Именно в такой ситуации окажется, что можно забыть о сегментации и пользоваться только 32-битными смещениями.
Для создания flat-памяти нам потребуются два дескриптора с нулевой базой и максимальным лимитом — один для кода и один для данных.
Дескриптор кода:
лимит FFFFFh
база 000000000h
тип сегмента FAh
бит присутствия = 1
уровень привилегий = 3 (минимальный)
бит типа дескриптора = 1
тип сегмента: 1010b (сегмент кода, для выполнения/чтения)
бит гранулярности = 1
бит разрядности = 1
db 0FFh, 0FFh, 0h, 0h, 0h, 0FAh, 0CFh, 0h
Дескриптор данных:
лимит FFFFFh
база 00000000h
бит присутствия = 1
уровень привилегий = 3 (минимальный)
бит типа дескриптора = 1
тип сегмента: 0010b (сегмент данных, растет вверх, для чтения/записи)
бит гранулярности = 1
бит разрядности = 1
db 0FFh, 0FFh, 0h, 0h, 0h, 0F2h, 0CFh, 0h
Для того чтобы процессор знал, где искать дескрипторы, операционная система собирает их в таблицы, которые называются GDT (таблица глобальных дескрипторов — может быть только одна) и LDT (таблица локальных дескрипторов — по одной на каждую задачу), и загружает их при помощи привилегированных команд процессора. Так как мы пока не собираемся создавать операционные системы, нам потребуется только подготовить дескриптор и вызвать соответствующую функцию VCPI или DPMI.
Заметим также, что адрес, который получается при суммировании базы сегмента и смещения, называется линейным адресом и может не совпадать с физическим, если дело происходит в операционной системе, реализующей виртуальную память при помощи специально предусмотренного в процессорах Intel страничного механизма виртуализации памяти.
