Текст лекции. При работе процессора i386+ в защищенном режиме используется два метода организации памяти

При работе процессора i386+ в защищенном режиме используется два метода организации памяти:

- сегментная,

- страничная.

Операционная система Windows NT, о которой будет идти речь в дальнейшем, использует оба этих механизма.

В защищенном режиме рассматриваемого семейства процессоров может быть определено до 8192 (2¹³) сегментов, причем, каждый из них может иметь размер до 4 Гбайт (2³² байтов). К сожалению, семейство операционных систем Windows минимальным образом использует возможности сегментного режима: это семейство использует плоскую 32-разрядную модель памяти с размером линейного адресного пространства 4 Гбайта.

Процесс формирования линейного адреса в защищенном режиме показан на рисунке 1.1. Формат селектора показан на рисунке 1.2.

Каждый сегмент в процессоре описывается 8-байтной структурой данных – дескриптором сегмента. Дескриптор определяет положение элемента в памяти, размер занимаемой им области (лимит), его назначение и характеристики защиты. Для указания конкретного сегмента внутри таблицы дескрипторов используется 16-разрядный селектор. Он определяет номер записи внутри таблицы дескрипторов. Младшие 2 бита селектора определяют уровень привилегий режима, который может воспользоваться данным дескриптором. Третий бит определяет тип таблицы дескрипторов – глобальная или локальная. Остальные 13 разрядов селектора и определяют максимально возможное количество сегментов, к которым можно обратиться с помощью селектора.

Рисунок 1.1 – Формирование линейного адреса в защищенном режиме

Рисунок 1.2 – Формат селектора сегмента

Дескрипторы расположены в специальной таблице дескрипторов GDT – Global Descriptor Table, расположенной в памяти. Механизм работы с глобальной и локальной таблицами дескрипторов показан на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Схема работы с глобальной и локальной таблицами дескрипторов

В Windows NT определено 11 селекторов, из которых наиболее важными являются первые четыре:

Таблица 1.1 – Первые 4 сегмента Windows NT

Селектор Hex (bin)	Назначение	База	Предел	DPL	Тип
08 (001000)	Code32		FFFFFFFF		RE
10 (010000)	Data32		FFFFFFFF		RW
1b (011011)	Code32		FFFFFFFF		RE
23 (100011)	Data32		FFFFFFFF		RW

Каждый из этих четырех селекторов позволяет адресовать все 4 Гбайта линейного адресного пространства, причем трансляция производится в одни и те же физические адреса.

Первые два селектора имеют требуемый уровень привилегий DPL = 0 (наивысший приоритет, DPL – Descriptor Privilege Level, уровень привилегий дескриптора) и используются драйверами и системными компонентами для доступа к системному коду, данным и стеку. (Здесь следует отметить, что из четырех возможных уровней привилегий 0 – 4, предоставляемых данным типом процессоров, в операционных системах Windows используются лишь два уровня – 0 и 3.)

Вторые два селектора используются кодом пользовательского режима для доступа к коду, данным и стеку пользовательского же режима. Эти селекторы являются константами для Windows NT.

Преобразование пары селектор:смещение для указанных селекторов дает 32-битный линейный адрес, совпадающий со значением смещения виртуального адреса. То есть, в данном случае виртуальный и линейный адреса совпадают.

Наличие в дескрипторе поля, определяющего возможность чтения/записи/исполнения кода, может навести на мысль о том, что именно на этом уровне может быть выполнена защита памяти от неверного использования. Например, код прикладной программы в пользовательском режиме находится в сегменте с селектором 1b. Для этого селектора разрешены только операции чтения и исполнения. То есть, используя селектор 1b, программа не сможет модифицировать свой собственный код. Однако, та же программа, обращаясь к данным или стеку (селектор 23) найдет свой код по тому же смещению, что и в сегменте 1b (так как для всех указанных сегментов трансляция производится в одни и те же физические адреса), но режим доступа в данном случае позволяет выполнять операции чтения и записи. Таким образом, базовый способ использования сегментации в операционных системах семейства Windows не обеспечивает надлежащей защиты кода.

Рисунок 1.4 – Схема преобразования виртуального адреса в физический

Схема формирования линейного адреса и преобразования его в физический показана на рисунке 1.4.

После формирования линейного адреса задействуется механизм страничной организации памяти. Здесь следует отметить следующее:

- каждый контекст памяти (адресное пространство процесса) представлено собственной таблицей трансляции линейного адреса в физический (адрес соответствующей таблицы загружается в управляющий регистр CR3),

- каждый элемент таблицы страниц содержит бит, указывающий на возможность доступа к странице из пользовательского режима (все страницы доступны из режима ядра),

- каждый элемент таблицы страниц содержит бит, указывающий на возможность записи в соответствующую страницу памяти.

Не надо забывать, что каждый элемент таблицы страниц содержит также бит, указывающий, представлена ли данная страница в оперативной памяти.

Два бита разрешения доступа и записи формируют следующий набор правил работы со страницами:

- страница всегда может быть прочитана из режима ядра,

- на страницу может быть произведена запись из режима ядра, только если установлен бит разрешения записи,

- страница может быть прочитана из пользовательского режима, только если установлен бит доступа к странице из пользовательского режима,

- на страницу может быть произведена запись из режима пользователя, только если установлены оба бита (разрешения записи и доступ из пользовательского режима),

- если страница может быть прочитана, она может быть исполнена.

По умолчанию страницы памяти с исполняемым кодом не имеют разрешения на запись. Поэтому при попытке использования селектора данных для модификации кода будет сгенерировано исключение.

Для того, чтобы ядро операционной системы (Windows NT) – компоненты самой операционной системы и драйверы – всегда располагались по фиксированным виртуальным адресам, независимо от текущего контекста памяти, в NT осуществляется одинаковая трансляция для верхних двух гигабайт диапазона виртуальных адресов.

Для защиты кода операционной системы соответствующие элементы таблицы трансляции виртуальных адресов в физические помечены как недоступные из пользовательского режима.

Соответственно, диапазон виртуальных адресов 2 – 4 Гб называют системным адресным пространством (system address space), а диапазон 0 – 2 Гб – пользовательским адресным пространством (user address space).

Здесь следует избегать путаницы между терминами адресное пространство процесса – контекст памяти процесса – и пользовательское адресное пространство. Пользовательское адресное пространство – это виртуальное адресное пространство, в котором в принципе может находиться любой пользовательский процесс.