Обзор режимов работы процессора Обсуждение начинается с описания эволюции режимов работы процессоров x86 от простого, неограниченного режима к расширенным средам с повышенной безопасностью. Первоначальные разработки начинались с базового режима работы, который обеспечивал минимальный контроль над доступом к памяти. Фреймворк заложил основу для последующих усовершенствований, которые будут управлять как памятью, так и правами на выполнение.
8086 Основы реального режима Ранние процессоры x86, такие как 8086, работали исключительно в простом реальном режиме без каких-либо дополнительных рабочих состояний. Этот режим обрабатывал все вычисления с использованием 16-разрядных регистров и не предусматривал отдельных режимов защиты или многозадачности. Его простота легла в основу понимания последующих архитектурных усовершенствований.
16-разрядная архитектура процессора и ограничения по объему памяти Процессоры, такие как 8086, оснащались 16-разрядными регистрами и имели объем памяти около одного мегабайта. Ограничения, присущие 16-разрядной архитектуре, определяли возможности ранних вычислений. Эти ограничения заложили основу для развития более совершенных схем управления памятью.
Вычисление физического адреса: сегменты и смещения Физические адреса были сгенерированы путем умножения 16-разрядного значения сегмента на 16 и последующего добавления 16-разрядного смещения. Эта формула позволила получить 20-разрядный адрес, который был необходим для доступа ко всему диапазону памяти. Этот метод имеет решающее значение для понимания как удобств, так и сложностей схем раннего обращения.
Неуникальные адреса и модульная арифметика Схема адресации позволяла нескольким парам сегмент:смещение ссылаться на одну и ту же ячейку физической памяти. Модульная арифметика приводила к тому, что адреса менялись местами после достижения 20-битного ограничения. Такая перекрывающаяся адресация повышала эффективность и создавала потенциальные проблемы в управлении памятью.
Сегментные регистры и их использование по умолчанию Выделенные сегментные регистры, такие как CS, DS, SS, FS и GS, служили основой для разделения кода, данных и другой информации. Каждому регистру была назначена роль по умолчанию, что обеспечивало согласованное направление обращений к памяти. Эта организация обеспечила систематический подход к сегментации памяти.
Устранение ограничений в реальном режиме Адресация в реальном режиме была изначально ограничена 20-линейной физической адресной шиной, что ограничивало объем памяти одним мегабайтом. Фиксированная схема иногда приводила к неоднозначным или перекрывающимся обращениям к памяти. Эти ограничения в конечном итоге стимулировали поиск более надежной методологии адресации.
Необходимость защиты памяти: Переход в защищенный режим Неограниченный доступ в реальном режиме позволял программам взаимодействовать друг с другом, что ставило под угрозу стабильность системы. Осознание того, что любая программа может свободно изменять любую ячейку памяти, привело к необходимости усиления защиты. Для ограничения и контроля доступа к памяти был разработан новый режим работы.
Защищенный режим: Повышенная безопасность памяти В защищенном режиме сегменты памяти управляются подробными дескрипторами, а не простой арифметикой. Эти дескрипторы включают базовые адреса, ограничения по размеру и права доступа для предотвращения несанкционированного доступа. Конструкция значительно повышает безопасность и стабильность системы за счет усиления защиты.
Механизмы перехода из реального режима в защищенный Современные процессоры запускаются в реальном режиме, а затем переходят в защищенный режим, когда требуются расширенные возможности. Для передачи обслуживания требуется перенастроить способ интерпретации сегментов и установить новые протоколы адресации. Этот плавный переход обеспечивает обратную совместимость и повышает безопасность.
Уровни привилегий и кольцевая архитектура Защищенный режим предусматривает иерархию уровней привилегий, обычно организованных в виде колец от 0 до 3. Операционная система работает с наивысшими привилегиями, в то время как пользовательские приложения функционируют с ограниченными правами. Такое систематическое разделение не позволяет менее надежному коду выполнять критически важные операции.
Ограничение доступа к памяти с помощью разрешений Механизм защищенного режима гарантирует, что программы могут обращаться к памяти только в установленных пределах. Проверка разрешений и дескрипторы контролируемых сегментов не позволяют приложениям вторгаться в системные или другие программные данные. Такой надежный подход является ключом к поддержанию целостности системы.
Сегментные дескрипторы и адресация памяти Сегментные регистры теперь связаны с дескрипторами, которые определяют базовый адрес сегмента, его лимит и соответствующие права доступа. Эти таблицы дескрипторов заменяют примитивный метод умножения в реальном режиме. Эта многоуровневая структура обеспечивает гибкую и безопасную компоновку памяти.
Эмуляция устаревших сред для обеспечения совместимости Современные процессоры поддерживают режимы, имитирующие устаревший реальный режим, для поддержки устаревшего программного обеспечения. Технологии виртуализации позволяют запускать устаревшие приложения без изменений, даже если процессор работает в современной защищенной среде. Такая совместимость обеспечивает непрерывность работы нескольких поколений программного обеспечения.
Обработка прерываний в режимах процессора Прерывания в реальном режиме обрабатывались с использованием прямых обращений к памяти, без какой-либо защиты или контроля. В отличие от этого, в защищенном режиме прерывания направляются через таблицы управляемых дескрипторов, обеспечивая механизм управляемого реагирования. Это различие является ключевым для понимания быстродействия и безопасности системы.
Механизм работы таблицы дескрипторов прерываний Таблица дескрипторов прерываний (IDT) в защищенном режиме сопоставляет каждое прерывание с определенным обработчиком с определенными значениями сегмента и смещения. Каждая запись в этой таблице гарантирует правильную передачу управления при возникновении прерывания. Такая настройка гарантирует систематическую и безопасную обработку как аппаратных, так и программных прерываний.
Привилегированные операции и специальные инструкции Некоторые операции, такие как изменение системных регистров или уровней привилегий, зарезервированы для инструкций с наивысшими привилегиями. Специальные инструкции защищают эти операции, гарантируя, что их будет выполнять только надежный код. Такой строгий контроль предотвращает несанкционированное изменение состояния ядра процессора.
Переключение контекста и динамика аппаратных регистров Переключение между режимами или обработка прерываний требуют тщательного сохранения и восстановления состояния процессора с помощью специальных аппаратных регистров. Таблицы дескрипторов и системные регистры играют ключевую роль в сохранении контекста во время переходов. Этот процесс гарантирует, что состояние системы остается неизменным, несмотря на частые изменения в процессе выполнения.
Использование инструкций перехода для перехода в другой режим Инструкции перехода в современных процессорах предназначены не только для изменения потока выполнения, но и для обновления сегментных регистров при переходе из одного режима в другой. При правильной загрузке новых сегментов кода центральный процессор настраивается в соответствии с требуемым рабочим контекстом. Эти переходы имеют решающее значение для безопасного переключения между защищенным и реальным режимами.
Управление адресами памяти с помощью модульной арифметики В реальном режиме использование модульной арифметики приводит к тому, что адреса памяти меняются местами при достижении 20-разрядного ограничения. Это может привести к появлению нескольких пар сегмент:смещение, ссылающихся на одно и то же физическое местоположение. Понимание этого поведения является основополагающим для понимания неэффективности, которую стремится устранить защищенный режим.
Эмулируемые модели памяти в защищенном режиме Защищенный режим заменяет базовое вычисление адреса сложной эмулируемой моделью памяти с использованием таблиц дескрипторов. Каждый сегмент явно определяется своей базой, пределом и атрибутами, что снижает неоднозначность. Такая тщательная сегментация обеспечивает более безопасное и надежное управление памятью.
Проблемы, связанные с 16-разрядным устаревшим кодом в современных системах Многие устаревшие приложения были написаны для 16-разрядной среды с упрощенной моделью памяти. Для адаптации этих программ к современным процессорам требуются уровни эмуляции или совместимости, что приводит к усложнению и потенциальным проблемам с производительностью. Задача заключается в сохранении функциональности при одновременном использовании современных средств безопасности.
Глобальные и локальные таблицы дескрипторов в управлении памятью Сегментация памяти в защищенном режиме управляется с помощью глобальных таблиц дескрипторов (GDT) для общесистемных настроек и локальных таблиц дескрипторов (LDT) для определений, относящихся к конкретному процессу. Эти таблицы содержат подробные дескрипторы, которые определяют права доступа и границы памяти. Их правильное использование имеет решающее значение для достижения детального контроля над системной памятью.
Переход от 16-разрядного к 32-разрядному режиму Переход с 16-разрядного на 32-разрядный режимы позволил процессорам получить доступ к значительно большим объемам памяти, сохранив при этом концепцию сегментации. Хотя сегментные регистры остаются 16-разрядными, их интерпретация меняется для поддержки более крупных и сложных приложений. Эта эволюция позволила современным операционным системам эффективно управлять гигабайтами памяти.
Обработка внешних прерываний и аппаратное управление операционной системой Внешние устройства запускают прерывания, которые передаются через специальные обработчики, определенные операционной системой. Это управляемое взаимодействие обеспечивает безопасную обработку аппаратных событий, таких как нажатия клавиш или видеовыходы. Такие механизмы предотвращают прямое манипулирование оборудованием с помощью ненадежного кода, сохраняя стабильность системы.
Плавная интеграция устаревших и современных режимов Современные системы x86 спроектированы таким образом, чтобы органично сочетать реальный режим, защищенный режим и режимы совместимости. Специализированные регистры и инструкции обеспечивают плавный переход, позволяя устаревшему программному обеспечению сосуществовать с современными приложениями. Такая интеграция отражает сложный баланс между инновациями и обратной совместимостью.