Protected Mode

By Chris Giese

Что такое защищенный режим?

8088 CPU был не масштабируемым. Он имел доступ всего к 1 метру памяти. Интел разработал 80286 CPU , который имел 2 режима:
real mode -
protected mode - (16-bit protected mode).
Последний позволял иметь доступ более чем к 1 метру памяти , а также имел механизмы защиты. 32-bit protected mode появился уже в '386 CPU.

Чем различаются Real Mode и Protected Mode ?

Table 1: разница между real- и protected modes.

Казалось бы - protected mode не использует сегментированную память...

Сегмент в 32-bit protected mode может иметь размер до 4 гиг. Отсутствие ограничений создает иллюзию отсутствия сегментации. По этой причине этот режим так популярен.

Что такое дескриптор ?

В real mode размер сегмента равен 64K , и с сегментом можно делать все что угодно : хранить данные , стек , код и т.д. Базовый адрес регистра вычисляется как произведение 16 на значение одного из сегментных регистров .

В protected mode , окромя базового адреса сегмента , нам также необходим его размер и несколько флагов. Вся эта информация о сегменте организована в 8-байтной структуре данных , называемой descriptor:

Table 2: code/data segment descriptor.

Это 32-битный дескриптор. Для 16-битных дескрипторов два старших байта обнулены (Limit 19:16, Flags, Base 31:24). Адресный байт указывает тип сегмента (data segment, stack segment, code segment, etc.):

Table 3: Адресный байт доступа для code/data дескрипторов.

• Present bit. Должен быть установлен в 1.
• Privilege. 0 - высший уровень привилегий (Ring 0), 3 - низший (Ring 3).
• Executable bit. 1 - кодовый сегмент , иначе - stack/data segment.
• Expansion direction (stack/data segment). Если 1 - сегмент растет вниз.
• Conforming (code segment). Privilege-related.
• Writable (stack/data segment). Если 1 - сегмент перезаписываемый.
• Readable (code segment). Если 1 - сегмент на чтение
• Accessed. Бит устанавливается независимо от того , на запись или на чтение.

The 4-битный флаг:

Table 4: flags .

Granularity bit - равен 1 , если ограничение на страницу памяти = 4 килобайтам.

Default Size - B (Big) bit, определяет размерность операндов машинных команд - 16- или 32-bit . Для кодовых сегментов бит D определяет размерность операндов. Например , чтобы установить бит D в 1 , надо использовать что-то типа USE32, Следующая последовательность 16-ричных кодов :

B8 90 90 90 90

mov eax, 90909090h

mov ax,9090h
 nop
 nop

Бит 4 Access byte - если он равен нулю, мы имеем system segment.

• Task State Segment (TSS). Используется для многозадачности. '386 и выше имеют 4 разновидности TSS.
• Local Descriptor Table (LDT). Тут задачи хранят свои собственные дескрипторы.
• Gates. Гейты контролируют процессор на предмет перехода с одного уровня привилегий на другой. Они имеют отличную от дескрипторов структуру :

Table 5: gate descriptor.

Table 6: Байт доступа для системных дескрипторов.

Table 7: Типы системных сегментов.

Запомним , что TSS, LDT, и гейты - 3 главных типа системных сегментов.

Где живут дескрипторы ?

Они хранятся в памяти в специальных таблицах : Global Descriptor Table (GDT), Interrupt Descriptor Table (IDT), и Local Descriptor Tables. В CPU есть 3 специальных регистра по такому случаю : GDTR - указатель на GDT, IDTR - указатель на IDT (в случае , если используются прерывания), и LDTR - указатель на LDT (если LDT используется). Каждая из этих таблиц может хранить до 8192 дескрипторов.

Что такое селектор ?

Селектор - это индекс дескрипторной таблицы.Под селектор отводится 13 старших бит. Следующий бит указывают на GDT или LDT. Младшие 2 бита устанавливают уровень привилегий.

Как перейти в protected mode?

Для этого нужно:

• Создать Global Descriptor Table (GDT),
• (optional) создать Interrupt Descriptor Table (IDT),
• запретить прерывания,
• загрузить в GDTR указатель на GDT,
• (optional) загрузить в IDTR указатель на IDT,
• установить бит PE в регистре MSW,
• сделать т.н. far jump (загрузка CS плюс IP/EIP) (в CS загрузить адрес кодового сегмента),
• загрузить регистры DS и SS соответственно data/stack segment selector,
• проинитить pmode stack,
• (optional) разрешаем interrupts.

Как вернуться назад в Real Mode?

Для '386:

• запретить прерывания,
• делаем far jump в 16-битный кодовый сегмент ,
• грузим SS 16-битным селектором data/stack segment,
• обнуляем PE bit,
• делаем far jump в real-mode адрес,
• грузим DS, ES, FS, GS, SS real-mode-значениями,
• (optional) устанавливаем IDTR real-mode значение (base 0, limit 0xFFFF),
• включаем прерывания.

Перед выполнением кода в real mode, CS и SS нужно загрузить селекторами, которые указывают на дескрипторы , которые поддерживают "real mode". Здесь есть ограничение на 64K bytes, byte-granular (Flags nybble=0), writable (data/stack segment only), Access byte=1xx1001x.

Где можно попасть в засаду ?

• Мельчайшим деталям нужно уделять самое пристальное внимание. Один неверный бит может погубить все. Ошибки Protected mode запросто перегружают CPU.
• Стандартные библиотеки не работают. Стандартный printf() не будет работать , поскольку использует прерывание BIOS .
• Перед очисткой PE bit, сегментные регистры должны указывать на дескрипторы , которые соответствуют real mode.

Для DS, ES, FS , GS, ограничение на сегмент должно быть 0xFFFF или больше. Если вы ограничиваете сегмент 0xFFFFF и делаете его page-granular, вы можете получить доступ к 4G памяти из real mode. Это называется unreal mode. Ограничение , отличное от 0xFFFF (или page-granularity) для CS или SS вызывает большие проблемы в real mode.

• Можно не использовать для '286 команду LMSW для очистки PE bit. Используйте MOV CR0, nnn.
• Загружайте все сегментные регистры селекторами после входа в protected mode.
• IDTR должен надо обнулять перед разрешением прерываний.
• Не все инструкции работают в real mode. Например , не работает LTR.

В 2-х словах :

• Чтобы вернуться в real mode - просто нажми reset button :)
• Не отключайте прерывания.
• Не используйте LDT.
• В GDT достаточно положить 4 дескриптора: null, code, stack/data, и text video.
• Для установки базового адреса сегмента в real-mode умножьте 16 на значение сегментного регистра.
• Для сегментов установите ограничение по максимуму (0xFFFF дляr 16-bit protected mode).
• Избегайте нулевых привилегий (Ring 0, highest privilege).
• Установите exception handlers , которые будут выводить сообщения на экран:

void unhand(void)
 {	static const char Msg[]="U n h a n d l e d   I n t e r r u p t ";
 
 	disable();
 	movedata(SYS_DATA_SEL, (unsigned)Msg,
 		LINEAR_SEL, 0xB8000,
 		sizeof(Msg));
         while(1); }

Пробелы в мессагах интерпретируются как атрибутивные байты , отчего текст выводится на зеленом фоне.

Оставьте свой комментарий !
Ваше имя: Комментарий: Оба поля являются обязательными  Автор   Комментарий к данной статье