2014-02-09
1806
Программная модель IA-32
Микроархитектура Intel IA-64
Любая выполняющаяся программа получает в свое распоряжение определенный набор ресурсов процессора. Эти ресурсы необходимы для обработки и хранения в памяти команд и данных программы, а также информации о текущем состоянии программы и процессора. Программную модель процессора в архитектуре IA-32 процессоров Intel составляет следующий набор ресурсов (рис. 2.5):
· пространство адресуемой памяти до 232 - 1 байт (4 Гбайт), для Pentium III/IV — до 236 - 1 байт (64 Гбайт);
· 8 регистров целочисленного устройства для хранения данных общего назначения;
· 6 сегментных регистров;
· набор регистров состояния и управления;
· 8 регистров устройства вычислений с плавающей точкой (сопроцессора);
· 8 регистров целочисленного MMX-расширения, отображенных на регистры сопроцессора (впервые появились в архитектуре процессора Pentium MMX);
· 8 регистров XMM-расширения с плавающей точкой (впервые появились в архитектуре процессора Pentium III);
· программный стек — специальная информационная структура, работа с которой предусмотрена на уровне машинных команд (более подробно она будет обсуждена позже).
Это основной набор ресурсов. Кроме того, к ресурсам, поддерживаемым архитектурой IA-32, необходимо отнести порты ввода-вывода, счетчики мониторинга производительности.
В семействе процессоров IA-32 выбор метода обращения к памяти определяется режимом работы процессора. Возможны 3 режима:
· Реальный – в этом режиме адрес формируется аналогично i8086, т.е. при формировании адреса используются 16-ти разрядные смещения и 16-ти разрядные сегментные адреса, которые хранятся в сегментных регистрах. При их сложении по приведенной выше схеме получаются 20-ти разрядные физические адреса, поэтому в этом режиме доступен только первый мегабайт оперативной памяти. Реальный режим работы процессора используется в операционной системе MS DOS, которая устарела. В настоящее время режим практически не используется.
· Защищенный – в этом режиме используется 32-х разрядная адресация, предусматривающая несколько вариантов защиты, откуда и появилось название этого режима;
· Виртуальный – в этом режиме процессор моделирует псевдоодновременную работу нескольких виртуальных процессоров i8086. В настоящее время режим устарел и практически не используется.
· Системного управления (System Management Mode - SMM) — это новый режим работы процессора, впервые появившийся в процессоре Pentium. Он обеспечивает операционную систему механизмом для выполнения машинно-зависимых функций, таких как перевод компьютера в режим пониженного энергопотребления или выполнения действий по защите системы. Для перехода в данный режим процессор должен получить специальный сигнал SMI от усовершенствованного программируемого контроллера прерываний (Advanced Programmable Interrupt Controller - APIC), при этом сохраняется состояние вычислительной среды процессора. Функционирование процессора в этом режиме подобно его работе в режиме реальных адресов. Возврат из этого режима производится специальной командой процессора.
Требование сохранить возможность выполнения программ, использующих 16-ти разрядную адресацию, привело к тому, что схема 32-х разрядной адресации является многокомпонентной.
В этом режиме по-прежнему используется сегментная организация памяти, но размер сегмента уже не ограничивается 64 Кб, а теоретически может достигать 4 Гб. 32-х разрядный адрес базы сегмента хранится не в виде сегментного адреса в сегментном регистре, как при 16-ти разрядной адресации, а полностью в специальных внутренних регистрах процессора – дескрипторах. Номер дескриптора заносится в 14 бит сегментного регистра, который в этом режиме называется селектором. Один бит селектора из этих 14-ти отвечает за выбор таблицы локальных или глобальных дескрипторов.
Таблица локальных дескрипторов содержит дескрипторы сегментов приложения, а таблица глобальных – дескрипторы сегментов программ операционной системы. Оставшиеся два бита селектора содержат код уровня привилегий сегмента, который проверяется при обращениях из других программ. Таким образом, реализуется защита сегментов.
14 бит селектора и 32 бита эффективного или исполнительного адреса, формируемого на основе машинной команды, объединяются в 46-ти разрядный виртуальный адрес.
Сумма 32-х разрядного базового адреса сегмента и 32-х разрядного эффективного адреса образует 32-х разрядный линейный адрес. Физический же адрес определяется по таблице страниц на основе линейного.
Соответственно различают несколько адресных пространств:
· виртуальное – 64 Тб;
· линейное – 4 Гб;
· физическое – 4 Гб.
При создании приложений Windows в основном используется модель памяти Flat «плоская». Эта модель подразумевает, что каждому приложению отводится линейное адресное пространство объемом 2 Гб, а остальные 2 Гб предоставляются операционной системе. Базовый адрес в дескрипторах всех сегментов приложения устанавливается равным 0. В езультате все сегменты приложения «перекрываются». Программа, данные и стек размещаются в разных местах памяти за счет азличных смещений. Разделение памяти между приложениями осуществляется операционной системой, которая размещает страницы приложений с одинаковыми линейными адресами в разных местах оперативной памяти. Следовательно и защита сегментов при этой модели не работает.
Чтобы предотвратить взаимное влияние выполняющихся программ друг на друга им выделяются изолированные участки памяти (т.е. код и данные программ находятся во взаимно несмежных сегментах). В защищенном режиме работают такие ОС, как MS Windows и Linux.
В типичной программе, написанной для защищенного режима есть 3 сегмента: кода, данных и стека, информация о которых хранится в трех перечисленных ниже сегментных регистрах.
· В регистре CS хранится указатель на дескриптор сегмента кода программы.
· В регистре DS хранится указатель на дескриптор сегмента данных программы.
· В регистре SS хранится указатель на дескриптор сегмента стека программы.
