1. Назначение и функции операционных систем

Вид материала

18. Защита адресного пространства в процессорах x86.
19. Система прерываний процессоров x86.
Работа системы прерываний в реальном режиме.
Работа системы прерываний в защищенном режиме.

Подобный материал:

1 ... 6 7 8 9 10 11 12 13 14

18. Защита адресного пространства в процессорах x86.

Для создания надежных мультипрограммных операционных систем в процессорах семейства i80x86 имеется несколько механизмов защиты. Это и разделение адресных пространств задач, и введение уровней привилегий для сегментов кода и сегментов данных. Это позволяет обеспечить как защиту задач друг от друга, так и защиту самой операционной системы от прикладных задач, защиту одной части системы от других ее частей, защиту самих задач от некоторых своих собственных ошибок.

Защита адресного пространства задач осуществляется относительно легко за счет того, что каждая задача может иметь свое собственное локальное адресное пространство. Операционная система должна корректно манипулировать таблицами трансляции сегментов (дескрипторными таблицами) и таблицами трансляции страничных кадров. Сами таблицы дескрипторов как сегменты данных (а соответственно, в свою очередь, и как страничные кадры) относятся к адресному пространству операционной системы и имеют соответствующие привилегии доступа; исправлять их задачи не могут. Этими информационными структурами процессор пользуется сам на аппаратном уровне без возможности их читать и редактировать из пользовательских приложений. В плоской модели памяти возможность микропроцессора контролировать обращения к памяти только внутри текущего сегмента фактически не используется, и остается в основном только механизм отображения страничных кадров. Выход за пределы страничного кадра невозможен, поэтому фиксируется только выход за пределы своего сегмента. В этом случае приходится полагаться только на систему программирования, которая должна корректно распределять программные модули в пределах единого неструктурированного адресного пространства задачи. Поэтому создание многопоточных приложений, когда каждая задача (в данном случае — поток выполнения) может испортить адресное пространство другой задачи, — очень сложная проблема, особенно если не применять системы программирования на языках высокого уровня. Итак, чтобы организовать взаимодействие задач, имеющих разные виртуальные адресные пространства, необходимо, как мы уже говорили, иметь общее адресное пространство. И здесь для обеспечения защиты самой операционной системы, а значит, и для повышения надежности всех вычислений используется механизм защиты сегментов с помощью уровней привилегий.

19. Система прерываний процессоров x86.

В микропроцессорах семейства i80x86 система прерываний построена таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить возможность создавать эффективные и надежные мультипрограммные и мультизадачные операционные системы, которые должны функционировать в защищенном режиме, а с другой стороны, обеспечить возможность выполнять программы, разработанные для реального режима. Рассмотрим вкратце оба режима.

Работа системы прерываний в реальном режиме.

В реальном режиме работы в системе прерываний используется понятие вектора прерывания, поскольку для указания адреса программы обработки прерывания здесь требуется не одно значение, а два (значение для сегментного регистра кода и значение для указателя команд), то есть мы имеем дело не со скалярной величиной, а с «векторной», состоящей из двух скалярных.
Итак, каждый вектор прерывания состоит из четырех байтов, или двух слов: первые два содержат новое значение для регистра IP, а следующие два — новое значение для регистра CS. Таблица векторов прерывания занимает 1024 байт. Таким образом, в ней может быть задано 256 векторов прерываний. В процессоре i8086 эта таблица располагается на адресах OOOOOH-003FFH. Расположение этой таблицы в процессорах i80286 и в более поздних определяется значением регистра IDTR (Interrupt Descriptor Table Register — регистр таблицы дескрипторов прерываний). При включении или сбросе процессора i80x86 этот регистр обнуляется. Однако при необходимости можно в регистре IDTR указать смещение и таким образом перейти на новую таблицу векторов прерываний.
Таблица векторов прерываний заполняется (инициализируется) при запуске системы, но, в принципе, может быть изменена или перемещена.
Каждый вектор прерывания имеет свой номер, называемый номером прерывания, который указывает его место в таблице. Этот номер, помноженный на четыре (сдвиг на два разряда влево и заполнение освободившихся битов нулями) и сложенный с содержимым регистра IDTR, дает абсолютный адрес первого байта вектора прерываний в оперативной памяти.
Подобно вызову процедуры прерывание заставляет микропроцессор сохранить в стеке информацию для последующего возврата, а затем перейти к группе команд, адрес которых определяется вектором прерывания. Таким образом, прерывание вызывает косвенный переход к своей подпрограмме обработки за счет получения ее адреса из вектора прерывания.
В IBM PC, как и в других вычислительных системах, прерывания бывают двух видов: внутренние и внешние.

Внутренние прерывания, как мы уже знаем, возникают в результате работы процессора в ситуациях, которые нуждаются в специальном обслуживании, или при выполнении специальных команд (INT, INTO). Это следующие прерывания:
• прерывание при делении на ноль (номер прерывания 0);
• прерывание по флагу TF (Trap Flag — флаг трассировки)9 обычно используется специальными программами отладки типа DEBUG (номер прерывания 1);
• прерывания, возникающие при выполнении команд INT (Interrupt — прерывание) и INTO (Interrupt if Overflow — прерывание по переполнению), называются программными.

В качестве операнда команды INT указывается номер прерывания, которое нужно выполнить, например INT 10H. Программные прерывания как средство перехода на соответствующую процедуру были введены для того, чтобы выполнение этой процедуры осуществлялось в привилегированном режиме, а не в обычном пользовательском.
Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства. Существует два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процессора, при помощи которых можно прервать выполнение текущей программы и тем самым переключить работу центрального процессора. Это сигналы Л/М/(Мо Mask Interrupt — немаскируемое прерывание) и INTR (Interrupt Request — запрос на прерывание). Соответственно, внешние прерывания подразделяются на немаскируемые и маскируемые.
Маскируемые прерывания генерируются контроллером прерываний по заявке определенных периферийных устройств10. Контроллер прерываний (его обозначение 18259А) поддерживает восемь уровней (линий) приоритета; к каждому уровню «привязано» одно периферийное устройство11. Маскируемые прерывания часто называют аппаратными прерываниями.
Как известно, прерывания могут быть инициированы внешним устройством ПЭВМ или специальной командой прерывания из программы. В любом случае если прерывания разрешены, то выполняется следующая процедура.
1. В стек помещается регистр флагов PSW.
2. Флаг включения-выключения прерываний IF и флаг трассировки TF, находящиеся в регистре PSW, обнуляются для блокировки других маскируемых прерываний и исключения пошагового режима исполнения команд.
3. Значения регистров CS и IP сохраняются в стеке вслед за PSW.
4. Вычисляется адрес вектора прерывания и из вектора, соответствующего номеру прерывания, загружаются новые значения IP и CS.
Когда системная подпрограмма принимает управление, она может разрешить снова маскируемые прерывания командой STI (Set Interrupt Flag — установить флаг прерываний), которая переводит флаг IF в состояние 1, что разрешает микропроцессору вновь реагировать на прерывания, инициируемые внешними устройствами, поскольку стековая организация допускает вложение прерываний друг в друга.
Закончив работу, подпрограмма обработки прерывания должна выполнить команду IRET (Interrupt Return), которая извлекает из стека три 16-разрядных значения и загружает их в указатель команд IP, регистр сегмента команд CS и регистр PSW соответственно. Таким образом, процессор сможет продолжить работу с того места, где он был прерван.
В случае внешних прерываний процедура перехода на подпрограмму обработки прерывания дополняется следующими шагами. 1. Контроллер прерываний получает заявку от определенного периферийного устройства и, соблюдая схему приоритетов, генерирует сигнал INTR (запрос на прерывание), который является входным для микропроцессора.
2. Микропроцессор проверяет флаг IF в регистре PSW. Если он установлен в 1, то переходим к шагу 3. В противном случае работа процессора не прерывается. Часто говорят, что прерывания замаскированы, хотя правильнее говорить, что они отключены. Маскируются (запрещаются) отдельные линии запроса на прерывания посредством программирования контроллера прерываний.
3. Микропроцессор генерирует сигнал INTA (подтверждение прерывания). В ответ на этот сигнал контроллер прерываний посылает по шипе данных номер прерывания. После этого выполняется описанная ранее процедура передачи управления соответствующей программе обработки прерывания.

Номер прерывания и его приоритет устанавливаются на этапе инициализации системы. После запуска ОС пользователь, как мы уже отмечали, может изменить таблицу векторов прерываний, поскольку она ему доступна.

Работа системы прерываний в защищенном режиме.

В защищенном режиме работы система прерываний микропроцессора i80x86 работает совершенно иначе. Прежде всего, вместо таблицы векторов, о которой мы говорили выше, она имеет дело с таблицей дескрипторов прерываний (Interrupt Descriptor Table, IDT). Дело здесь не столько в названии таблицы, сколько в том, что таблица IDT представляет собой не таблицу с адресами обработчиков прерываний, а таблицу со специальными системными структурами данных (дескрипторами), доступ к которой со стороны пользовательских (прикладных) программ невозможен. Только сам микропроцессор (его система прерываний) и код операционной системы могут получить доступ к этой таблице, представляющей собой специальный сегмент, адрес и длина которого содержатся в регистре IDTR (см. рис. 4.2). Этот регистр аналогичен регистру GDTR в том отношении, что он инициализируется один раз при загрузке системы. Интересно заметить, что в реальном режиме работы регистр IDTR также указывает на адрес таблицы прерываний, но при этом, как и в процессоре i8086, каждый элемент таблицы прерываний (вектор) занимает всего 4 байт и содержит 32-разрядный адрес в формате селектор-.смещение (CS:IP). Начальное значение этого регистра равно нулю, но в него можно занести и другое значение. В этом случае таблица векторов прерываний будет находиться в другом месте оперативной памяти. Естественно, что перед тем, как занести в регистр IDTR новое значение, необходимо подготовить саму таблицу векторов. В защищенном режиме работы загрузку регистра IDTR может произвести только код с максимальным уровнем привилегий.

Каждый элемент в таблице дескрипторов прерываний, о которой мы говорим уже в защищенном режиме, представляет собой 8-байтовую структуру, более похожую на дескриптор шлюза, нежели на дескриптор сегмента.
Как мы уже знаем, в зависимости от причины прерывания процессор автоматически индексирует таблицу прерываний и выбирает соответствующий элемент, с помощью которого и осуществляется перенаправление в исполнении кода, то есть передача управления на обработчик прерывания. Однако таблица IDT содержит только дескрипторы шлюзов, а не дескрипторы сегментов кода, поэтому фактически получается что-то типа косвенной адресации, но с рассмотренным ранее механизмом защиты с помощью уровней привилегий. Благодаря этому пользователи уже не могут сами изменить обработку прерываний, которая предопределяется системным программным обеспечением.
Дескриптор прерываний может относиться к одному из трех типов:
• коммутатор прерывания (interrupt gate);
• коммутатор перехвата (trap gate);
• коммутатор задачи (task gate).
При обнаружении запроса на прерывание и при условии, что прерывания разрешены, процессор действует в зависимости от типа дескриптора (коммутатора), соответствующего номеру прерывания. Первые два типа дескрипторов прерываний вызывают переход на соответствующие сегменты кода, принадлежащие виртуальному адресному пространству текущего вычислительного процесса. Поэтому про них говорят, что обработка прерываний по этим дескрипторам осуществляется под контролем (в контексте) текущей задачи. Последний тип дескриптора (коммутатор задачи) вызывает полное переключение процессора на новую задачу со см

Blog

1. Назначение и функции операционных систем