Средства поддержки механизмов виртуальной памяти в процессоре Pentium позволяют отображать виртуальное адресное пространство на физическую память размером максимум в 4 Гбайт (этот максимум определяется использованием 32-разрядных адресов при работе с оперативной памятью).
Процессор может поддерживать как сегментную модель распределения памяти, так и сегментно-страничную. Средства сегментации образуют верхний уровень средств управления виртуальной памятью процессора Pentium, а средства страничной организации — нижний уровень. Это означает, что сегментные средства работают всегда, а средства страничной организации могут быть как включены, так и выключены путем установки однобитного признака РЕ (Paging Enable) в регистре CRO процессора. В зависимости от того, включены ли средства страничной организации, изменяется смысл процедуры преобразования адресов, которая выполняется средствами сегментации. Сначала рассмотрим случай работы средств сегментации при отключенном механизме управления страницами.
При работе процессора Pentium в сегментном режиме в распоряжении программиста имеется виртуальное адресное пространство, представляемое совокупностью сегментов.
Каждый сегмент виртуальной памяти процесса имеет описание, называемое дескриптором сегмента. Дескриптор сегмента имеет размер 8 байт и содержит все характеристики сегмента, необходимые для проверки правильности доступа к нему и нахождения его в физическом адресном пространстве (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Формат дескриптора сегмента данных или кода
Структура дескриптора, которая поддерживается в процессоре Pentium, сложилась исторически. Многое в ней связано с обеспечением совместимости с предыдущими процессорами семейства х86. Именно этим объясняется то, что базовый адрес сегмента представлен в дескрипторе в виде трех частей, а размер сегмента занимает два поля.
Ниже перечислены основные поля дескриптора.
· База — базовый адрес сегмента (32 бита).
· Размер — размер сегмента (24 бита).
· G (Granularity) — единица измерения размера сегмента, один бит. Если G=0, то размер задан в байтах и тогда сегмент не может быть больше 64 Кбайт, если 0=1, то размер сегмента измеряется в страницах по 4 Кбайт.
· Байт доступа (5-й байт дескриптора) содержит информацию, которая используется для принятия решения о возможности или невозможности обращения к данному сегменту. Бит Р (Present) определяет, находится ли соответствующий сегмент в данный момент в памяти (Р=1) или он выгружен на диск (Р=0). Поле DPL (Descriptor Privilege Level) содержит данные об уровне привилегий, необходимом для доступа к сегменту. Остальные пять битов байта доступа зависят от типа сегмента и определяют способ, которым можно использовать данный сегмент (то есть читать, писать, выполнять). Различаются три основных типа сегментов:
· сегмент данных;
· кодовый сегмент;
· системный сегмент (GDT, TSS и т. п)
Дескрипторы сегментов объединяются в таблицы. Процессор Pentium для управления памятью поддерживает два типа таблиц дескрипторов сегментов:
· глобальная таблица дескрипторов (Global Descriptor Table, GDT), которая предназначена для описания сегментов операционной системы и общих сегментов для всех прикладных процессов, например сегментов межпроцессного взаимодействия;
· локальная таблица дескрипторов (Local Descriptor Table, LDT), которая содержит дескрипторы сегментов отдельного пользовательского процесса.
Таблица GDT одна, а таблиц LDT столько, сколько в системе выполняется задач (процессов). При этом в каждый момент времени операционной системой и аппаратными средствами процессора используется только одна из таблиц LDT, а именно та, которая соответствует выполняемому в данный момент пользовательскому процессу. Таблица GDT описывает общую часть виртуального адресного пространства процессов, a LDT — индивидуальную часть для каждого процесса. Таблицы GDT и LDT размещены в оперативной памяти в виде отдельных сегментов. Сегменты LDT и GDT содержат системные данные, поэтому их дескрипторы хранятся в таблице GDT. Таким образом, таблица GDT наряду с записями о других сегментах содержит запись о самой себе, а также обо всех таблицах LDT.
В каждый момент времени в специальных регистрах GDTR и LDTR хранится информация о местоположении и размерах глобальной таблицы GDT и активной таблицы LDT соответственно. Регистр GDTR содержит 32-разрядный физический адрес начала сегмента GDT в памяти, а также 16-битный размер этого сегмента (рис. 6.4). Регистр LDTR указывает на расположение сегмента LDT в оперативной памяти косвенно — он содержит индекс дескриптора в таблице GDT, в котором содержится адрес таблицы LDT и ее размер.
Рис. 6.4. Формат регистра GDTR
Процесс обращается к физической памяти по виртуальному адресу, представляющему собой пару (селектор, смещение). Селектор однозначно определяет виртуальный сегмент, к которому относится искомый адрес, то есть он может интерпретироваться как номер сегмента, а смещение, как это и следует из его названия, фиксирует положение искомого адреса относительно начала сегмента. Смещение задается в машинной инструкции, а селектор помещается в один из сегментных регистров процессора. Под смещение отводится 32 бита, что обеспечивает максимальный размер сегмента 4 Гбайт (232).
Селектор извлекается из одного из шести 16-разрядных сегментных регистров процессора (CS, SS, DS, ES, FS или GS) в зависимости от типа команды и стадии ее выполнения — выборки кода команды или данных. Например, при обращении к памяти во время выборки следующей команды используется селектор из сегментного регистра кода CS, а при записи результатов в сегмент данных процесса селекторы извлекаются из сегментных регистров данных DS или ES, если же данные записываются в стек по команде PUSH, то механизм виртуальной памяти извлекает селектор из сегментного регистра стека SS, и т. п.
Рис. 6.5. Формат селектора
Селектор состоит из трех полей (рис. 6.5):
· индекса, который задает последовательный номер дескриптора в таблице GDT или LDT (13 бит);
· указателя типа используемой таблицы дескрипторов: GDT или LDT (1 бит);
· требуемого уровня привилегий — RPL (2 бита), это поле используется механизмом защиты данных, который будет рассмотрен ниже.
Виртуальное адресное пространство процесса складывается из всех сегментов, описанных в общей для всех процессов таблице GDT, и сегментов, описанных в его собственной таблице LDT. Разрядность поля индекса определяет максимальное число глобальных и локальных сегментов процесса — по 8 Кбайт (213) сегментов каждого типа, всего 16 Кбайт сегментов. С учетом максимального размера сегмента — 4 Гбайт — каждый процесс при чисто сегментной организации виртуальной памяти (без включения страничного механизма) может работать в виртуальном адресном пространстве в 64 Тбайт.
Каждый дескриптор в таблицах GDT и LDT имеет размер 8 байт, поэтому максимальный размер каждой из этих таблиц — 64 Кбайт (8 байт х 8 Кбайт дескрипторов).
Из приведенного описания видно, что процессор Pentium обеспечивает поддержку работы ОС в двух отношениях:
· поддерживает работу виртуальной памяти за счет быстрого аппаратного способа преобразования виртуального адреса в физический;
· обеспечивает защиту данных и кодов различных приложений.
Теперь проследим, каким образом виртуальное пространство в 64 Тбайт отображается на физическое пространство размером в 4 Гбайт. Механизм отображения преобразовывает виртуальный адрес, который представлен селектором, находящимся в одном из сегментных регистров, и смещением, извлеченным из соответствующего поля машинной инструкции, в линейный физический адрес.
Рис. 6.6. Механизм преобразования виртуального адреса в физический при работе процессора в сегментном режиме
Рассмотрим сначала случай, когда виртуальный адрес относится к одному из сегментов, дескрипторы которых содержатся в таблице GDT (рис. 6.6).
1. Значение селектора указывает механизму преобразования адресов, что виртуальный адрес относится к сегменту, описываемому в таблице GDT. Местонахождение таблицы GDT система определяет из регистра GDTR, в котором хранится полный 32-битный базовый физический адрес таблицы. Процессор складывает базовый адрес таблицы, взятый из регистра GDTR, со сдвинутым на 3 разряда влево (умножение на 8 в соответствии с числом байтов в одном дескрипторе сегмента) значением поля индекса из селектора. Результатом является физический адрес дескриптора сегмента, к которому относится заданный виртуальный адрес.
2. По вычисленному адресу процессор извлекает из памяти дескриптор нужного сегмента.
3. Выполняется проверка возможности выполнения заданной операции доступа по заданному виртуальному адресу:
· сначала процессор определяет правильность адреса, сравнивая смещение, заданное в виртуальном адресе, с размером сегмента, извлеченным из регистра LDTR (в случае выхода адреса за границы сегмента происходит прерывание);
· затем процессор проверяет права доступа задачи к данному сегменту памяти;
· далее проверяется наличие сегмента в физической памяти (если бит Р дескриптора равен 0, то есть сегмент отсутствует в физической памяти, то происходит прерывание).
4. Если все три условия выполнены, то доступ по заданному виртуальному адресу разрешен. Выполняется преобразование виртуального адреса в физический путем сложения базового адреса сегмента, извлеченного из дескриптора, и смещения, заданного в инструкции. Выполняется заданная операция над элементом физической памяти по этому адресу.
В случае когда селектор в виртуальном адресе указывает не на таблицу GDT, a на таблицу LDT, процедура вычисления физического адреса несколько усложняется. Это связано с тем, что регистр LDTR в отличие от GDTR указывает на размещение таблицы сегментов не прямо, а косвенно. В LDTR содержится индекс дескриптора сегмента LDT. Поэтому в процедуре преобразования адресов появляется дополнительный этап — определение базового адреса таблицы LDT. На основании базового адреса таблицы GDT, взятого из регистра GDTR, и селектора, взятого из регистра LDTR, вычисляется смещение в таблице GDT, которое и является адресом дескриптора сегмента LDT.
Из дескриптора извлекается базовый адрес таблицы LDT, и с этого момента работа механизма отображения полностью аналогична описанному выше преобразованию виртуального адреса с помощью таблицы GDT: на основании базового адреса таблицы LDT и селектора задачи, заданного в одном из сегментных регистров, вычисляется смещение в таблице LDT и определяется базовый адрес дескриптора искомого сегмента. Из этого дескриптора извлекается базовый адрес сегмента, который складывается со смещением из виртуального адреса, что и дает в результате искомый физический адрес.
Таким образом, для использования сегментного механизма процессора Pentium операционной системе необходимо сформировать таблицы GDT и LDT, загрузить их память (для начала достаточно загрузить только таблицу GDT), загрузить указатели на эти таблицы в регистры GDTR и LDTR и выключить страничную поддержку.
Операционная система может отказаться от использования средств сегментации процессора Pentium, в таком случае ей достаточно назначить каждому процессу только по одному сегменту и занести в соответствующие таблицы LDT по одному дескриптору. Виртуальное адресное пространство задачи будет состоять из одного сегмента длиной максимум в 4 Гбайт. Поскольку выгрузка процессов на диск будет осуществляться целиком, виртуальная память вырождается в таком частном случае в свопинг.
17. Защита данных в системах с сегментной организацией памяти