Какая информация содержится в локальной таблице дескрипторов

Мультизадачность.

Глава 2. Локальные дескрипторные таблицы.

        Локальная дескрипторная таблица LDT (Local Descriptor Table) является аналогом глобальной дескрипторной таблицы GDT и предназначена для применения в контексте задачи. Таким образом, задача может иметь свой собственный набор дескрипторов, непосредственный доступ к которым имеет только она сама; операционная система также может использовать локальные дескрипторы задачи, но явного механизма для этого в процессоре не предусмотрено и это зависит от конкретной системы. Благодаря локальной дескрипторной таблице, которые мы далее будем называть просто LDT, и грамотному построению ядра ОС можно гарантировать, что кроме данной задачи никакая другая не сможет воспользоваться её дескрипторами, что, несомненно, повышает защищённость системы.

        LDT имеет точно такую же структуру, как и GDT; в ней так же нельзя использовать нулевой дескриптор и всё же LDT имеет ряд отличий от GDT:

        Благодаря наличию LDT программа может использовать одновременно уже две дескрипторных таблицы — GDT и LDT. Дескрипторы из LDT выбираются селекторами, так же, как и из GDT, но тут необходимо каждый раз явно указывать, откуда именно происходит выборка — из LDT или GDT.

        Давайте вспомним формат селектора:

Рис. 2-1. Формат селектора.

        Обратите внимание на 2-й бит селектора. Он называется TI (Table Indicator) и определяет, к какой дескрипторной таблице производится обращение — если TI = 0, то к GDT, если TI = 1 — к LDT.

        До сих пор мы использовали только нулевое значение этого бита, кроме того, поле RPL селектора мы также везде устанавливали нулевым, отсюда и получались значения селекторов, кратные восьми: 8 — для кода, 16 — для стека, 24 — для основного сегмента данных и т.д.; с использованием задач нам станут доступны все возможные значения селекторов.

        Итак, селектор, имеющий одинаковый индекс, позволяет выбирать дескриптор как из GDT, так из LDT. Например, для выборки первого дескриптора из таблицы (нулевой дескриптор не используется!) нужно, чтобы поле индекса селектора содержало единицу (1). Если предположить, что поле PRL будет нулевым (как мы до сих пор и делали), то для выборки первого дескриптора:

        Обратите внимание, что бит TI определяет из какой именно таблицы производится выборка, а поле индекса определяет, какой именно дескриптор будет выбран.

        Практически, при обращении к LDT (опять же подразумевая, что поле RPL в селекторе будет содержать 0), можно определить селекторы, например, так:

Для GDT:
Code_Selector = 8
Data_Selector = 16
Stack_Selector = 24

Для LDT:
LDT_Code_Selector = 8 + 100b
LDT_Data_Selector = 16 + 100b
LDT_Stack_Selector = 24 + 100b

        Локальная дескрипторная таблица представляет собой по сути массив 8-байтных дескрипторов, однако, для использования LDT нужно определить специальный дескриптор системного объекта — дескриптор LDT. Этот дескриптор имеет следующий формат:

dw limit_low ; Младшая часть предела
dw address_low ; Младшая часть базового адреса
db address_mid ; Третий (из четырёх) байт базового адреса
db access_rights ; Права доступа
db limit_hi ; Старшая часть предела
db address_mid ; Четвёртый (старший) байт базового адреса

        Более наглядно это показано на рисунке 2-1:

Рисунок 2-1. Формат дескриптора LDT

        Как видите, формат дескриптора LDT очень похож на формат обычного дескриптора сегмента данных или кода, за исключением содержимого байта прав доступа и нулей вместо бит GDXU (старшие 4 бита в байте со старшей частью предела) — здесь эти биты зарезервированы и должны быть равными нулю.

        Для установки дескрипторов в LDT и их динамического изменения, обращаться к ней через дескриптор LDT нельзя. Дескриптор LDT — это системный объект, он предназначен для автоматического использования процессором (в этом и состоит отличие системных объектов от дескрипторов сегментов; мы уже рассмативали системные объекты — это были шлюзы, из которых строится дескрипторная таблица прерываний IDT). Поэтому для работы с LDT любой задачи нужно определять алиасы (от англ. alias) — в данном случае под алиасом подразумевается сегмент данных, отображённый на те же адреса, по которым располагается LDT задачи.

        Точно также для динамического использования GDT нужно определять алиасы — как правило определяют отдельный дескриптор сегмента данных, имеющий такой же адрес и предел, что и GDT.

        В мультизадачной системе подразумевается наличие нескольких задач и, следовательно, нескольких LDT, поэтому удобно эти LDT размещать последовательно в памяти, чтобы их можно было описать одним алиасным дескриптором данных. В наших примерах мы будем определять отдельный дескриптор сегмента данных LDT_area, в котором мы будет размещать таблицы LDT всех задач. При конструировании самих дескрипторов LDT мы будем вычислять их адреса, используя базовый адрес сегмента LDT_area.

        Использование LDT в задаче не является обязательным. Если все задачи работают на нулевом уровне привилегий, то нет необходимости определять для них отдельные дескрипторы в LDT — достаточно использования GDT. Если задача с PL=0 является сама по себе достаточно сложной, например, менеджер дисковой подсистемы, тогда для удобства программиста можно определить LDT с набором дескрипторов для этой задачи.

        Полностью эффективность использования LDT открывается при использовании задач, работающих на не нулевых уровнях. Например, прикладной задаче с PL=3 система может определить LDT с необходимым набором дескрипторов и таким образом изолировать её на третьем уровне привилегий.

Выше было показано, что процессор i486 поддерживает три типа дескрипторных таблиц: общесистемные таблицы GDT и IDT, a также таблицы LDT. Последние таблицы при необходимости создаются по одной для каждой задачи и служат расщирением таблицы GDT при реализации мультизадачных систем. Наличие таблицы LDT увеличивает адресное пространство задачи, которое недоступно для других задач. Если задача не имеет таблицы LDT,что вполне допустимо, все требующиеся ей дескрипторы берутся из таблицы GDT; при этом необходимо избегать загрузки в сегментные регистры селекторов с битом TI = 1. Таким образом, с помощью таблиц LDT можно разрешить доступ к критическим областям памяти, например видеобуферу или дисковому контроллеру, только отдельным задачам.

Базовая структура адресного пространства с таблицами GDT и LDT предполагает, что каждая задача имеет свою таблицу LDT и все задачи пользуются общей таблицей GDT. В результате сегмент доступен либо только одной задаче, либо всем задачам. Для небольших однопользовательских систем характерно отсутствие таблиц LDT. Наконец, группа взаимосвязанных задач (образующих задание) может использовать одну и ту же таблицу LDT. Все задачи в группе разделяют одно адресное пространство, но группа, как целое, обладает своими сегментами, изолированными от остальной части системы. Более сложные структуры разделения адресного пространства реализуются с помощью альтернативного именования сегментов.

Локальная дескрипторная таблица, так же как таблица GDT, представляет собой массив 8-байтных дескрипторов сегментов. В любой момент времени процессор работает только с одной табли­цей LDT, а при переключении задачи изменяется и активная таблица LDT. Поэтому для локализации таблицы LDT вместо 48-битного регистра, аналогичного регистрам GDTR и IDTR, в процессоре i486 имеется 16-битный регистр LDTR, содержащий только селектор LDT. Этот селектор выбирает в таблице GDT специальный дескриптор, который описывает текущую таблицу LDT, т.е. определяет ее базовый адрес и предел. Таким образом, при обращении к сегменту данных, который определяется селектором с битом TI = 1, появляется дополнительный уровень косвенности. Отметим, что в таблице LDT не могут находиться дескрипторы LDT, т.е. процессор не допускает дальнейшего «вложения косвенности».

Дескриптор LDT, формат которого показан на рис.2.10, является первым примером системных дескрипторов сегментов с битом S = 0. Такие дескрипторы не имеют бита обращения А и за счет этого поле типа расширено до четырех бит. Для дескриптора LDT поле типа содержит 2 (0010В). В поле базового адреса находится базовый адрес таблицы LDT, а в поле предела — предел сегмента таблицы LDT. Для задания предела можно использовать все 20 бит; функционирует также бит гранулярности G, поэтому можно создать таблицу LDT с размером больше 64 Кбайт, но на практике этого не требуется.

также не присутствуют. Процессор даже не разрешает загрузить регистр LDTR селектор неприсутствующей
таблицы LDT.

Отметим, что дескриптор LDT, как и любой другой дескриптор сегмента, имеет бит присутствия Р. Если дескриптор LDT отмечен неприсутствующим (Р = 0), считается, что все дескрипторы из LDT

Рис.2.10. Формат дескриптора таблицы LDT

Чтобы начать пользоваться таблицей LDT, нужно просто поместить в регистр LDTR селектор нужной таблицы. В этом отношении регистр LDTR действует как и любой другой сегментный регистр. Для сокращения числа обращений к памяти у регистра LDTR предусмотрен теневой регистр (он показан пунктиром на рис. 2.6), в который процессор автоматически считывает дескриптор LDT при загрузке селектора в регистр LDTR.

При попытке загрузить в регистр LDTR что-то отличающееся от селектора, выбирающего дескриптор LDT, процессор формирует общее нарушение защиты и «виноватый» селектор включается в стек как код ошибки. Когда в дескрипторе бит Р = 0, генерируется особый случай неприсутствия, а селектор по-прежнему будет служить кодом ошибки. Загрузка в регистр LDTR пустого селектора (значения 0000Н — 0003Н) допускается; такая операция сообщает процессору о том, что задача не будет пользоваться локальной дескрипторной таблицей.

Мы пока не касаемся дескрипторной таблицы прерываний IDT. Связано это с тем, что программам никогда не разрешается прямое обращение к IDT. Именно поэтому в селекторе достаточно одного бита индикатора таблицы TI. Таблицу IDT процессор i486 использует автоматически при обработке аппаратных и программных прерываний, которым посвящена следующая лекция.

2.1.7. Особенности сегментации

Процессор i486 разрешает создание сегментов, в которых допускаются операции только считывания, только исполнения, считывания/записи и исполнения/считывания. Однако в нем невозможно прямо создать характерные для процессора 8086 сегменты, в которых одновременно разрешены операции считывания, записи и исполнения. Тем не менее, образовать такие сегменты можно другими средствами.

Рис.2.11. Неперекрывающиеся сегменты памяти

В способе сегментации памяти процессора 8086 нет никаких трудностей для обращения по одному и тому же физическому адресу с привлечением различных сегментных регистров. Если, например, в регистрах DS и ES содержатся одинаковые начальные адреса, то оба регистра определяют один и тот же сегмент. Кроме того, как отмечалось выше, множество пар сегмент:смещение могут определять один и тот же физический адрес. Аналогичную ситуацию в процессоре i486 можно смоделировать путем тщательного подбора дескрипторов сегментов.

Обычно дескрипторы сегментов создаются во время инициали­зации системы для определения всех используемых областей памя­ти с учетом их назначения. Например, можно определить один сег­мент кода для хранения машинных команд (т.е. собственно про­граммы), один или два сегмента для данных и один сегмент для стека, рассчитанный на максимальный размер стекового кадра. Обычно эти сегменты должны занимать различные области памяти. При желании сегментам можно назначить соседние адреса так, чтобы конец одного сегмента совпадал с началом другого. На рис. 2.11 показаны неперекрывающиеся (непересекающиеся) сег мент кода 6 Кбайт, два сегмента данных по 12 Кбайт и сегмент стека 4 Кбайт.

Представим теперь, что дескриптор первого сегмента данных изменен с целью увеличения его предела на 4 Кбайт. В этом случае два сегмента данных оказываются перекрывающимися, что показа­но на рис. 2.12. Такое перекрытие вполне допустимо, так как про­цессор i486 не накладывает никаких ограничений на определения перекрывающихся сегментов.

Перекрытие двух или более сегментов в некоторых отношениях может оказаться благоприятным. К любой ячейке в области пере­крытия можно обращаться несколькими способами. Например, считывание по смещению 0 из сегмента данных 2 эквивалентно считыванию по смещению 3000Н из сегмента данных 1.

Выше говорилось, что процессор запрещает запись в сегменты, которые определены как исполняемые. Но не будет ошибкой за­пись в сегмент, который определен с разрешенной операцией запи­си и просто перекрывает то же линейное адресное пространство, что и исполняемый сегмент. Если дескрипторы сегмента кода и сегмента данных имеют одинаковые базовые адреса и пределы, то можно будет «модифицировать код» и «выполнять данные». Такой прием создания нескольких дескрипторов одного и того же адрес­ного пространства называется альтернативным именованием (aliasing). Очевидно, дескрипторы можно считать именами сегмен­тов; тогда несколько дескрипторов одного и того же сегмента (т.е. альтернативные имена) естественно назвать псевдонимами.

В предельной ситуации можно определить сегмент данных с разрешенными операциями записи и считывания, который имеет базовый адрес 0 и предел OFFFFFFFFH. Загрузка селектора такого дескриптора в сегментный регистр позволяет считывать и записы­вать по любому адресу всего линейного адресного пространства процессора i486. По существу, для любого сегмента в системе име­ется альтернативное имя. Конечно, система не обязательно должна иметь физическую память 4 Гбайт; этот пример только показывает,

о попускается описывать несуществующее пространство памяти к же легко, как и перекрывающиеся диапазоны адресов.

ПАМЯТЬ

Рис.2.12. Перекрывающиеся сегменты памяти

Перекрытие и альтернативное именование оказываются очень удобными для разделения данных между задачами. Например, создание для сегмента кода псевдонима в виде сегмента данных по­зволяет разработать самомодифицирующиеся программы. Упомянем еще один очень важный момент. Пространство, занятое дескрипторной таблицей, невозможно адресовать, не имея определяющего его дескриптора. Если не создать псевдонимов для дескрипторных таблиц в виде сегментов данных до перевода процессора i486 в Р-режим, то к таблицам будет невозможно обратиться. Конечно, определения этих сегментов должны быть максимально за­щищенными, так как разрешение всем программам доступа к таб­лицам GDT, IDT и LDT для считывания и записи приведет к ката­строфическим последствиям.