Дескрипторы и таблицы

Physics Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2011

Dr. Mokhovikov

Дескрипторы и таблицы(продолжение).

Lection №9

Devices & Systems, 7th semester,2011 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Назначение

Что защищаем?

На чем

основана защита?

Как работать в PM?

Alexander Yurievich

Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich
Существует три типа дескрипторных таблиц – глобальная таблица

дескрипторов (одна в системе); локальная таблица дескрипторов (своя для каждой задачи); таблица дескрипторов прерываний

Дескрипторные таблицы

глобальная таблица дескрипторов

локальная таблица дескрипторов

таблица дескрипторов прерываний

Каждый дескриптор (элемент) таблицы описывает свой сегмент памяти.
Сегменты памяти не пересекаются!

Адрес начала каждой из таблиц (указатель на начало таблицы) хранится в специальных (программно доступных) регистрах процессора.
Указатели на таблицу глобальных дескрипторов (GDTR) и таблицу прерываний (IDTR) имеют размер 48 байт, 32 из которых указывают линейный адрес начала таблицы, а остальные 16 – ее размер (предел).

Дескрипторные таблицы — служебные структуры данных, содержащие дескрипторы сегментов

состояния задачи

2. Дескрипторы системных объектов:
Шлюз вызова*
Шлюз задачи
Шлюз прерывания
Шлюз ловушки
Таблицы

локальных дескрипторов

* - ограниченно совместим.

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

только на нулевом кольце привилегий
Глобальная таблица (GDT) содержит дескрипторы, доступные

все задачам. Может содержать дескрипторы любых типов, кроме дескрипторов прерываний и ловушек

Локальная таблица (LDT) может быть собственной для каждой задачи и может содержать только дескрипторы сегментов, шлюзов задачи и вызовов. Сегмент недоступен задаче, если его дескриптора нет ни в LDT, ни в GDT.
Дескрипторные таблицы создаются и поддерживаются операционной системой.

Нулевой элемент этой таблицы процессором не используется.

Дескрипторные таблицы

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

преобразования);

Размер - размер сегмента (Размер сегмента – 1);

Байт доступа –

содержит информацию о защите сегмента;

D - бит разрядности выполняемых команд (для кодового сегмента):
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);

Дескрипторы

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

состояния задач TSS (Task State Segment)
Дескрипторы
Их дескрипторы определяют базовый адрес,

лимит сегмента (1-64 Кбайт), права доступа (чтение, чтение/запись, только исполнение кода или исполнение/чтение) и присутствие сегмента в физической памяти.

В байте управления доступом у этих дескрипторов бит Р определяет действительность (Р=1) или недействительность (Р=0) содержимого сегмента.
Поле уровня привилегий DPL используется только в дескрипторах сегментов состояния задач (TSS). Поскольку обращение к дескрипторам LDT возможно только по привилегированным командам, поле DPL для дескрипторов локальных таблиц не исполь­зуется
. Поле ТYPE (1-3, 9-В) определяет тип сегмента.

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

[P - бит присутствия]

2. Уровень привилегий [DPL - 2 бита

уровня доступа]

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

Расширенный тип введен для приведения всех типов дескрипторов разных групп к общему типу.
Он учитывает значение поля S - системный бит.

Дескрипторы

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

разрядности, 16 бит/32 бита]
2. Гранулярность [G - бит дробности, 1

байт/4Кб]
3. Сегмент/системный объект [S - бит типа сегмент/объект]
4. Собственные нужды ОС[AVL - бит нужд ОС]
5. Базовый адрес [BASE - 32 бита базового адреса]
6. Предел сегмента [LIMIT - 20 бит размера сегмента]

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

смещения]
2. Селектор [SELECTOR - 15 бит]
3. Константа [CONST - 3

бита = 000]

Для 2 группы дескриптор типа A является ограниченно совместимым c другими дескрипторами этой группы из-за наличия поля COUNT - количество параметров 5 бит. В принципе, это поле в других сегментах можно выделить как резерв.

!

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

- группа 1:
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:
struct s_DSysObj

{
word wOffset_I;
word wSelector;
byte bCount;
byte bAttr;
word wOffset_II;
};

«вспомогательное представление дескриптора» - группы 1 и 2:
struct s_DVector
{
dword dwVec_I;
dword dwVec_II;
};

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

класса дескрипторов, включающего общие методы работы со всеми типами дескрипторов.

class c_Descriptor
{
private:
union
{
s_DSpace s_Space;
s_DSysObj s_SysObj;
s_DVector s_Vector;
} u_Vector;
public:
c_Descriptor(e_DPLevel e_Level, s_ExtType s_EType, e_SgmState e_State);
~c_Descriptor();

void Level_Set (e_DPLevel e_Level);
void EType_Set (s_ExtType s_EType);
void Addr16(void);
void Addr32(void);
void Present (void);
void UnPresent (void);
bool IsSgmRAM (void);
};

class c_DSpace : private c_Descriptor
{
public:
c_DSpace();
~c_DSpace ();

void DSpace_Set (void *vBase, s_SpcLimit s_Limit, s_SpcType s_Type);
void Base_Set (void *vBase);
void Limit_Set (s_SpcLimit s_Limit);
void Type_Set (s_SpcType s_Type);
};

Основная нагрузка для общего класса дескрипторов ляжет на создание дескриптора с заданным уровнем приоритета объекта, наличием в ОЗУ и расширенным типом, который описывается данным дескриптором и методами изменения этих параметров.

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

сегмента:
Поскольку он неотделим от характеристики грануляции сегмента и его

разрядности и никогда не превышает 20 байт, то есть смысл объединить их в структуру:

Значение типа уровня доступа находится в интервале 0..3, однако лучше всего будет сдвинуть его влево на 5 бит для удобства работы:

enum e_DPLevel
{
k_KLvl = 0,
k_DLvl = 1 << 5,
k_SLvl = 2 << 5,
k_ALvl = 3 << 5
};

Точно так же поступаем с типом e_SgmState, подменяющим флаг присутствия отождествляемого дескриптором объекта в оперативной памяти компьютера:

enum e_SgmState
{
k_Swap = 0,
k_RAM = 1 << 7
};

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

учета бита ACCESSED. Так как установка этого бита - прерогатива

процессора.

0. Пространство данных только для чтения с увеличением границы вверх
1. Пространства данных с возможностью записи с увеличением границы вверх
2. Пространство данных только для чтения с увеличением границы вниз
3. Пространство данных с возможностью записи с увеличением границы вниз
4. Пространство неподчиненного кода с запретом чтения
5. Пространство неподчиненного кода c возможностью чтения
6. Пространство подчиненного кода с запретом чтения
7. Пространство подчиненного кода c возможностью чтения

В этом случае преобразование e_SpcType -> s_SpcType будет выполняться сдвигом влево на один бит, с установкой бита 4,
S [Segment] = 1.

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

в памяти - дескрипторные таблицы GDT, LDT, IDT. Потому создание

дескриптора должно быть привязано по месту его «прописки». Обеспечить это можно обращением к дескриптору через метод выделения дескриптора в соответствующей ему таблице, инкапсулируемой классом. Создание дескриптора традиционным способом - оператором new, приведет лишь к созданию неработоспособной копии объекта.

Рассмотрим создание дескриптора в таблице GDT:

c_Descriptor *pc_DExample = GDT.DAlloc();

Вызов метода DAlloc (Allocate Descriptor) произведет необходимые действия с таблицей GDT:
1.Изменение части LIMIT регистра GDTR на длину дескриптора.
2.При необходимости, выделение дополнительной памяти под таблицу дескрипторов
3. Возвращение указателя на работоспособный дескриптор.

Далее, необходимо использовать конструктор дескриптора.

Случай 2 может потребовать манипуляций со страницами памяти, так как хотелось бы избавиться от излишнего перемещения данных из области GDT в новое место при нехватке памяти в заранее выделенной под GDT (при работе еще 16 битного кода загрузчика) куче, кратной размеру страницы [4Kb = 4096 байта].

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

синтетическое поле и его прямая задача объединить типы разных групп

дескрипторов в одну, за счет выделения 5 бита - S (системный дескриптор).
Опять-таки, поле ETYPE является простейшим перечислением входящих комбинаций простых типов s_SpcType и s_SysType.

Рассмотрим системный набор дескрипторов s_SpcType:

1. [0001] Свободный TSS - 16 бит 9. [1001] Свободный TSS - 32 бит
2. [0010] Локальная таблица дескрипторов (LDT)
3. [0011] Занятый TSS - 16 бит 11. [1011] Занятый TSS - 32 бит
4. [0100] Шлюз вызова - 16 бит 12. [1100] Шлюз вызова - 32 бит
5. [0101] Шлюз задачи
6. [0110] Шлюз прерывания - 16 бит 14. [1110] Шлюз прерывания - 32 бит
7. [0111] Шлюз ловушки - 16 бит 15. [1111] Шлюз ловушки - 32 бит

Как видно из таблицы, системные дескрипторы за исключением 2, 5 определяются симметрично относительно 4-ого бита. Таким образом, можно свести системные объекты в перечисление:

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

отождествляемых с ними объектов.
Поэтому в c_Descriptor присутствуют методы Addr16

и Addr32. Методы по биту S [Segment] могут различить тип дескриптора и установить, соответственно, либо бит 4 поля ETYPE (за исключением LDT и TaskGate типов), либо бит D/B поля dwVec_II.

void c_Descriptor :: Addr16(void)
{
register s_ExtType s_EType = (s_ExtType) u_Vector.s_SysObj.bAttr;

if (s_EType.IsSystem())
s_EType.u_ExtType.s_SysObj.Addr16();
else
((s_SpcLimit) u_Vector.s_Vector.dwVec_II).Addr16();
}

void c_Descriptor :: Addr32(void)
{
register s_ExtType s_EType = (s_ExtType) u_Vector.s_SysObj.bAttr;

if(s_EType.IsSystem ())
if((s_EType.u_ExtType.s_SysObj.bValue != k_LDT) &&
(s_EType.u_ExtType.s_SysObj.bValue != k_TaskGate))
s_EType.u_ExtType.s_SysObj.Addr32();
else
((s_SpcLimit) u_Vector.s_Vector.dwVec_II).Addr32();
}

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

4 поля ETYPE уже установлен в 1. Это означает, что

все дескрипторы пространств и системных объектов в системе создаются 32 битными по умолчанию.
А для принудительного их перевода в 16 битный вид необходимо запросить метод дескриптора Addr16().

inline c_Descriptor :: c_Descriptor(e_DPLevel e_Level, s_ExtType s_EType, e_SgmState e_State)
{
u_Vector.s_Dspace.bAttr_I = e_Level | s_EType | e_State;
}

Объединение типов s_SpcType и s_SysType дает расширенный тип:

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

конструкторов c_DSpace или c_DSystem.
Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems,

7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

оно должно выглядеть в дескрипторе и представляет собой специфический для

Watcom asm макрос:

extern Expand_ROR(dword dwBase);

#pragma aux Expand_ROR=\
"shr eax, 16"
"xchg ah, al"
"ror eax, 8"
parm [eax] \
value [eax] \
modify [eax];

Схема «эволюции» базового адреса с помощью макроса Expand_ROR

Таким образом, выделяются два вида владельцев дескрипторов: «системный объект» и «пространство». Они получают адрес дескриптора от объектов GDT, LDT, IDT, а затем осуществляют необходимые изменения в нем.

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

ядра. Практически, ее содержимое (дескрипторы) сформировано еще на стадии компиляции

исходного кода при помощи макрокоманд препроцессора С++ как массив константных значений типа s_DVector.
В макрокоманде m_DATA_DESCRIPTOR используются все те же типы переменных, что и для класса c_DSpace:

#define k_4Kb 0x00800000 \\ Гранулярность сегмента = 4 кБ
#define k_1Bt 0x00000000 \\ Гранулярность сегмента = 1 Байт
#define k_D32 0x00400000 \\ Разрядность сегмента = 32 бита
#define k_D16 0x00000000 \\ Разрядность сегмента = 16 бит

#define m_DATA_DESCRIPTOR(dwLim, dwBAddr, e_State, e_Level, e_Type, dwGranulate, dwD)\
{\
(dwLimit & 0x0000FFFF) | (dwBAddr << 16),\
(dwBAddr & 0xFF000000) | ((dwBAddr & 0x00FF0000) >> 16) |\
((((dword)(e_State | e_Level | e_Type) << 8) | 0x00001000) & 0x0000FF00) |\
dwGranulate | dwD \
}

Сам массив GDT определяется обязательно с выравниванием на параграф следующим образом:

#pragma pack(16) \\ Установим выравнивание на параграф (= 16 байт)
s_DVector GDT[M] = {
…………………………………………………………………
…………………………………………………………………
};
#pragma pack(0) \\ Восстановим предыдущее значение выравнивания

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

32-разрядный защищенный режим процессора (далее просто PM).

Проанализируем нужды ядра

на момент перехода его в PM:

1. Код ядра, лежащий в ОЗУ в 32 р-р сегменте кода, с грануляцией в 1 байт и уровнем привилегий k_KLvl. Протяженность данного сегмента определяется длиной оставшегося участка кода от места исполнения процессором команды, являющейся первой после перехода в PM и очистки конвейера процессора межсегментным, длинным переходом (FAR JMP) на эту команду. Соответственно базовый адрес сегмента также должен начинаться с этой же команды. Таким образом, становится возможным избавиться от 16 р-р кода первичного загрузчика, освобождая участок ОЗУ. Тип сегмента - k_ERCode.

Дескрипторы и таблицы дескрипторов

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

32-разрядный защищенный режим процессора (далее просто PM).

Проанализируем нужды ядра

на момент перехода его в PM:

Дескрипторы и таблицы дескрипторов

2. Данные ядра, совпадающие по базовому адресу с сегментом кода ядра, 32 р-р, грануляция в 1 байт, с уровнем привилегий k_KLvl. Протяженность сегмента до конца доступного 32 р-р адресного пространства процессора. Это необходимо для того, чтобы смещение, рассчитанное компилятором заранее для данных (глобальные переменные) оставалось тем же, а также для размещения за границей сегмента кода ядра, "кучи" ядра максимальной длины, в которой динамически будут распределяться объекты ядра.
Тип сегмента - k_RWDataUp

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Physics Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010

Dr. Mokhovikov

Содержимое массива определяется нуждами ядра на момент его перехода в
32-разрядный защищенный режим процессора (далее просто PM).

Проанализируем нужды ядра на момент перехода его в PM:

Дескрипторы и таблицы дескрипторов

3. Стек ядра 32р-р, с грануляцией 1 байт, являющийся простым сегментом данных (с увеличением границы сегмента в сторону увеличения 32 р-р адреса).
Протяженность сегмента стека выбрана таким образом, чтобы он заканчивался непосредственно перед сегментом кода ядра, начинаясь со смещения 0x00000000 (базовый адрес).
Тип сегмента - k_RWDataUp. Уровень доступа k_KLvl.

32-разрядный защищенный режим процессора (далее просто PM).

Проанализируем нужды ядра

на момент перехода его в PM:

Дескрипторы и таблицы дескрипторов

4. Плоский, 32 р-р, 4Гб сегмент данных, охватывающий все доступное 32 р-р адресное пространство процессора со смещения 0x00000000. Тип сегмента - k_RWDataUp. Данный сегмент необходим для превентивного доступа ядра к любой части адресного пространства, как к данным, поэтому уровень привилегий плоского сегмента k_KLvl. Протяженность сегмента вынуждает использовать в его описание грануляцию k_4Kb, а при такой дробности сегмента предел будет составлять 0xFFFFF.

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

процессора значением 32-битного адреса начала таблицы дескрипторов в памяти. Стандартными

средствами C++ сделать это невозможно. Для этого используется макрос Watcom:

extern void LoadGDTR(TVirtualGDTR *ps_VGDTR);

#pragma aux LoadGDTR = \
"LGDT [eax]" \
parm [eax];

И структура данных TVirtualGDTR, являющаяся виртуальным содержимым GDTR регистра в памяти:

struct
{
word wLim;
dword dwGDT_Addr;
} TVirtualGDTR;

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Дескрипторы

7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich
Используемые Интернет-ресурсы

«Архитектура ЭВМ»,автор Мюллер
Книга «Процессоры Pentium4, Athlon и Duron», авторы Михаил

Гук, Виктор Юров
Книга «Архитектура ЭВМ», автор Танненбаум

Physics Faculty, Electronic Computing Devices & Systems, 7th semester,2012 Dr.Mokhovikov Alexander Yurievich

Используемая литература