Защищенный режим процессоров Intel 80286/80386/80486

5.1. Преобразование адресов

Процессор i80386 в защищённом режиме использует трёхступенчатую схему преобразования адреса.

Программы используют логический адрес, состоящий из селектора и смещения (аналогично процессору i80286). Селектор полностью аналогичен используемому в процессоре i80286. Компонента смещения является 32-разрядной, т.к. допустимый размер сегмента значительно превышает 64 килобайта.

Уровень логического адреса - это первая ступень в схеме преобразования адресов.

Вторая ступень - получение из логического адреса 32-разрядного линейного адреса. Линейный адрес берётся из глобальной или локальной таблицы дескрипторов (GDT или LDT) в зависимости от соответствующего бита селектора (бит 2). Механизм получения линейного адреса напоминает механизм получения 24-разрядного физического адреса в процессоре i80286. Однако линейный адрес не отображается непосредственно на адресную шину памяти, то есть он не является физическим адресом.

Для получения из линейного адреса физического адреса используется третья ступень - механизм страничной адресации. С помощью этого механизма 20 старших бит линейного адреса используются для выбора блока памяти размером 4 килобайта. Такой блок называется страницей физической памяти. Оставшиеся 12 бит линейного адреса представляют собой смещение внутри страницы.

Процесс преобразования логического адреса в линейный иллюстрируется рис. 17.

Рис. 17. Преобразование логического адреса в линейный.

Значение из поля индекса селектора используется в качестве индекса в таблице LDT или GDT для выборки 32-разрядного базового адреса. Этот базовый адрес складывается со второй компонентой логического адреса - смещением. В результате получается 32-разрядный линейный адрес.

Преобразование линейного адреса в физический иллюстрируется рис. 18.

Рис. 18. Преобразование линейного адреса в физический.

Процесс вычисления адреса страницы часто называют трансляцией страниц. Старшие 10 бит линейного адреса используются как индекс в таблице, называемой каталогом таблиц страниц. Расположение каталога таблиц страниц в физической памяти определяется содержимым системного регистра процессора CR3.

Каталог таблиц страниц содержит дескрипторы таблиц страниц, определяющие физический адрес таблиц страниц. В каталоге таблиц страниц всего может быть 1024 дескриптора. Самих же каталогов может быть сколько угодно, но в каждый момент времени используется только один - тот, на который указывает регистр CR3.

Следующие 10 бит линейного адреса предназначены для индексации таблицы страниц, выбранной с помощью старших 10 бит адреса. Таблица страниц содержит 1024 дескриптора, определяющих физические адреса страниц памяти. Размер одной страницы составляет 4 килобайта, т.е. 4096 байт.

Младшие 12 бит линейного адреса указывают смещение к адресуемому байту внутри страницы.

На рис. 19 представлен формат дескриптора таблицы страниц.

Рис. 19. Дескриптор таблицы страниц.

Для представления старших 20 битов физического адреса таблицы сраниц в дескрипторе используются биты 12-31. Младшие 12 битов адреса таблицы всегда равны нулю, таким образом, таблица страниц должна быть выровнена в памяти на границу 4096 байт (на границу страницы).

Формат дескриптора страницы представлен на рис. 20.

Рис. 20. Дескриптор страницы.

Биты 12-31 в дескрипторе страниц указывают старшие 20 бит физического адреса страницы. Младшие 12 бит адреса страницы всегда равны нулю.

Назначение бит 0-11 одинаково и для дескриптора таблицы страниц, и для дескриптора страницы. В таблице 4 приведено описание этих бит.

Таблица 5. Биты 0-12 дескрипторов таблиц страниц и страниц.

Мы видим, что для процессора i80386 добавилось ещё два типа таблиц, содержащих дескрипторы и, соответственно, два типа дескрипторов - дескриптор таблиц страниц и дескриптор страниц.

Для использования механизма трансляции страниц операционная система должна установить в 1 старший бит системного регистра CR0. Если этот бит не установлен в 1, физический адрес будет равен линейному, содержимое регистра адреса каталога таблиц страниц CR3 при этом для преобразования адреса использоваться не будет.

Форматы дескрипторов, располагающихся в таблицах GDT, LDT и IDT претерпели изменения по сравнению с используемыми в процессоре i80286. Например, вместо 24-битового физического адреса в дескрипторах должен находиться 32-битовый линейный адрес.

Напомним, что в дескрипторах процессора i80286 было зарезервировано два байта. Эти байты используются процессором i80386 (рис. 21).

Рис. 21. Дескрипторы для процессора i80386.

Процессор i80386 использует 32-разрядный базовый адрес сегмента и 20-разрядное поле предела. В зарезервированном для процессора i80286 поле в битах 24-31 находится старший байт 32-разрядного базового адреса сегмента. Биты 16-19 используются для хранения старших четырёх битов предела.

В процессоре i80286 поле предела указывало размер сегмента в байтах. Для процессора i80486 интерпретация поля предела зависит от установки бита G - бита гранулярности. Если бит G установлен в 1, поле предела содержит размер сегмента в страницах (размером 4096 байт). Если бит G сброшен, размер сегмента вычисляется в байтах.

Бит гранулярности G также находится в поле, которое в процессоре i80286 было отмечено как зарезервированное.

Поле, обозначенное на рис. 21 как X, указывает разрядность выполняемых команд, принятых по умолчанию. Если этот бит установлен в 1, используются 32-разрядные команды, если сброшен в 0 - 16-разрядные.

Бит AVL предназначен для использования системным программным обеспечением.

Бит S - признак системного сегмента. Если этот бит сброшен в 0, то сегмент системный.

Назначение остальных полей дескриптора аналогично используемому в процессоре i80286. В первой главе мы привели таблицу типов сегментов, в ней описаны и сегменты для процессора i80386.