См 8)Адресация в 32-разрядных микропроцессорах i80x86 при работе в защищенном режиме
Поддержка сегментного способа организации виртуальной памяти
Как мы уже знаем, для организации эффективной и надежной работы вычислительной системы в мультипрограммном режиме необходимо иметь соответствующие аппаратные механизмы, поддерживающие независимость адресных пространств каждой задачи и в то же время позволяющие организовать обмен данными и разделение кода. Для этого желательно выполнение следующих двух требований:
- чтобы у каждого вычислительного процесса могло быть свое собственное (личное, локальное) адресное пространство, которое никак не может пересекаться с адресными пространствами других задач;
- чтобы существовало общее (разделяемое) адресное пространство.
Поэтому в микропроцессорах i80x86 реализован сегментный способ организации распределения памяти. Помимо этого, в этих микропроцессорах может быть задействована и страничная трансляция. Поскольку для каждого сегмента нужен дескриптор, устройство управления памятью поддерживает соответствующую информационную структуру. Формат дескриптора сегмента приведен на рис. 3.3.
Поля дескриптора (базовый адрес, поле предела) размещены в дескрипторе не непрерывно, а в разбивку, во-первых, из-за того, что разработчики постарались минимизировать количество перекрестных соединений в полупроводниковой структуре микропроцессора, а во-вторых -- вследствие необходимости обеспечить полную совместимость микропроцессоров (предыдущий микропроцессор i80286 работал с 16-битовым кодом и тоже поддерживал сегментный механизм реализации виртуальной памяти). Необходимо заметить, что формат дескриптора сегмента, изображенный на рис. 3.3, справедлив только для случая нахождения соответствующего сегмента в оперативной памяти. Если же бит присутствия в поле прав доступа равен нулю (сегмент отсутствует в памяти), то все биты, за исключением поля прав доступа, считаются неопределенными и могут использоваться системными программистами (для указания адреса сегмента во внешней памяти) произвольным образом.
|
|
|
Рис. 3.3. Дескриптор сегмента
Локальное адресное пространство задачи определяется через таблицу LDT (local descriptor table). У каждой задачи может быть свое локальное адресное пространство. Общее или глобальное адресное пространство определяется через таблицу GDT (global descriptor table). Само собой, что работу с этими таблицами (их заполнение и последующую модификацию) должна осуществлять операционная система. Доступ к таблицам LDT и GDT со стороны прикладных задач должен быть исключен.
При переключении микропроцессора в защищенный режим он начинает совершенно другим образом, чем в реальном режиме, вычислять физические адреса команд и операндов. Прежде всего, содержимое сегментных регистров интерпретируется иначе: считается, что там содержится не адрес начала сегмента, а номер соответствующего сегмента. Для того чтобы подчеркнуть этот факт, сегментные регистры CS, SS, DS, ES, FS, GS в таком случае даже называются иначе -- селекторами сегментов. При этом каждый селекторный регистр разбивается на следующие три поля (рис. 3.4):
|
|
|
- поле индекса (index) -- старшие 13 битов (3-15). Определяет собственно номер сегмента (его индекс в соответствующей таблице дескрипторов);
- поле индикатора таблицы сегментов (table index, TI) -- бит с номером 2. Определяет часть виртуального адресного пространства (общее или принадлежащее только данной задаче). Если TI=0, то Index указывает на элемент в глобальной таблице дескрипторов GDT, то есть идет обращение к общей памяти. Если TI=1, то идет обращение к локальной области памяти текущей задачи; это пространство описывается локальной таблицей дескрипторов LDT;
- поле уровня привилегий -- биты 0 и 1. Указывает запрашиваемый уровень привилегий (RPL, requested privilege level).
Операционная система в процессе своего запуска инициализирует многие регистры и, прежде всего, GDTR. Этот регистр содержит начальный адрес глобальной таблицы дескрипторов (GDT) и ее размер. Как мы уже знаем, в GDT находятся дескрипторы глобальных сегментов и системные дескрипторы.
Рис. 3.4. Селектор сегмента
|
|
|
Для манипулирования задачами ОС имеет информационную структуру, которую мы уже определили как дескриптор задачи (см. раздел "Понятия вычислительного процесса и ресурса", глава 1). Микропроцессор поддерживает работу с наиболее важной частью дескриптора задачи, которая меньше всего зависит от операционной системы. Эта инвариантная часть дескриптора, с которой и работает микропроцессор, названа сегментом состояния задачи (task state segment, TSS). Перечень полей TSS изображен на рис. 3.5. Видно, что в основном этот сегмент содержит контекст задачи. Процессор получает доступ к этой структуре с помощью регистра задачи (task register, TR).
Регистр TR содержит индекс (селектор) элемента в GDT. Этот элемент представляет собой дескриптор сегмента TSS. Дескриптор заносится в теневую часть регистра (см. рис. 3.2). К рассмотрению TSS мы еще вернемся, а сейчас заметим, что в одном из полей TSS содержится указатель (селектор) на локальную таблицу дескрипторов данной задачи. При переходе процессора с одной задачи на другую содержимое поля LDTR заносится микропроцессором в одноименный регистр. Инициализировать регистр TR можно и явным образом.
Итак, регистр LDTR содержит селектор, указывающий на один из дескрипторов глобальной таблицы GDT. Этот дескриптор заносится микропроцессором в теневую часть регистра LDTR и описывает таблицу LDT для текущей задачи. Теперь, когда у нас определены как глобальная, так и локальная таблица дескрипторов, можно рассмотреть процесс определения линейного адреса. Для примера рассмотрим процесс получения адреса команды. Адреса операндов определяются по аналогии, но задействованы будут другие регистры.
Микропроцессор анализирует бит TI селектора кода и в зависимости от его значения, извлекает из таблицы GDT или LDT дескриптор сегмента кода с номером (индексом), который равен полю index (биты 3-15 селектора, см. рис. 3.4). Этот дескриптор заносится в теневую (скрытую) часть регистра CS. Далее микропроцессор сравнивает значение регистра EIP (extended instruction pointer) с полем размера сегмента, содержащегося в извлеченном дескрипторе, и если смещение относительно начала сегмента не превышает размера предела, то значение EIP прибавляется к значению поля начала сегмента и мы получаем искомый линейный адрес команды. Линейный адрес -- это одна из форм виртуального адреса. Исходный двоичный виртуальный адрес, вычисляемый в соответствии с используемой адресацией, преобразуется в линейный. В свою очередь, линейный адрес будет либо равен физическому (если страничное преобразование отключено), либо с помощью страничной трансляции преобразуется в физический адрес. Если же смещение из регистра EIP превышает размер сегмента кода, то эта аварийная ситуация вызывает прерывание и управление должно передаваться супервизору ОС.
|
|
|
Рис. 3.5. Сегмент состояния задачи (TSS)
Рассмотренный нами процесс получения линейного адреса проиллюстрирован на рис. 3.6. Стоит отметить, что поскольку межсегментные переходы происходят нечасто, то, как правило, определение линейного адреса заключается только в сравнении значения EIP с полем предела сегмента и в прибавлении смещения к началу сегмента. Все необходимые данные уже находятся в микропроцессоре, и операция получения линейного адреса происходит очень быстро.
Итак, линейный адрес может считаться физическим адресом, если не включен режим страничной трансляции адресов. Аппаратные средства микропроцессора для поддержки рассмотренного способа двойной трансляции виртуальных адресов в физические явно недостаточны, и при наличии большого количества небольших сегментов приводят к медленной работе. В самом деле, теневой регистр при каждом селекторе имеется в единственном экземпляре, и при переходе на другой сегмент потребуется вновь находить и извлекать соответствующий дескриптор сегмента, а это требует времени. Страничный же способ трансляции виртуальных адресов, как мы знаем, имеет немало своих достоинств. Поэтому в защищенном режиме работы, при котором всегда действует описанный выше механизм определения линейных адресов, может быть включен еще и страничный механизм.
Рис. 3.6. Процесс получения линейного адреса команды
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 369; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!