Операционная система Microsoft Windows 3.1 для программиста

2.1. Особенности защищенного режима работы процессора

В томе 6 "Библиотеки системного программиста", который называется "Защищенный режим процессоров Intel 80286/80386/80486", мы подробно рассмотрели работу процессора 80286 в защищенном режиме и особенности адресации памяти процессорами 80386 и 80486. Там же приведены примеры программ, переключающие процессор в защищенный режим работы и выполняющие в этом режиме обращение к аппаратуре компьютера. Однако, учитывая, что в вашем распоряжении может не оказаться указанного выше тома, мы приведем самые необходимые сведения о защищенном режиме в этой главе.

Адресация памяти в реальном режиме

Для адресации байта памяти в реальном режиме работы используются две 16-разрядные компоненты адреса - сегмент и смещение. Физический адрес , который попадает на шину адреса системной платы компьютера, складывается (в буквальном смысле этого слова) из сдвинутой влево на четыре бита и дополненной справа четырьмя нулевыми битами сегментной компоненты и компоненты смещения. Перед сложением компонента смещения расширяется до 20 бит так, что в старшие четыре бита записываются нули (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Получение физического адреса в реальном режиме

Задавая произвольные значения для сегмента и смещения мы можем сконструировать физический адрес для обращения к памяти размером 1 Мбайт плюс 64 Кбайт (и минус 16 байт).

Адрес, состоящий из сегмента и селектора, мы будем называть логическим адресом реального режима . Диапазон логических адресов от 0000h:0000h до FFFFh:000Fh соответствует диапазону физических адресов от 00000h до FFFFFh. Этот диапазон адресов соответствует первому мегабайту оперативной памяти.

Диапазон логических адресов от FFFFh:0010h до FFFFh:FFFFh соответствует так называемой области старшей памяти (High Memory Area). Размер области старшей памяти равен 64 Кбайта без 16 байт, и эта память доступна в реальном режиме для процессора модели 80286 и более старших моделей. Если вы работаете с операционной системой MS-DOS версии 5.0 или 6.2, имеет смысл загрузить ядро MS-DOS в область старших адресов, указав в файле config.sys команду:

DOS=HIGH

Недостатки реального режима работы процессора очевидны. Вы не можете использовать расширенную память, расположенную в адресном пространстве выше области старшей памяти. Если в вашем компьютере установлено 16 Мбайт оперативной памяти, процессор не сможет непосредственно адресовать из них целых 15 Мбайт (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Адресация памяти в MS-DOS

На заре развития персональных компьютеров оперативная память размером в 1 Мбайт считалась достаточно большой для решения любых мыслимых задач. Однако с появлением Windows и внедрением графического пользовательского интерфейса критерии оценки объема памяти резко изменились. Теперь минимальный объем памяти для нормальной работы приложений Windows составляет 4 Мбайта, а для некоторых приложений (например, для системы разработки Borland C++ for Windows версии 4.0 или Microsoft Visual C++) требуется 8 Мбайт или даже 16 Мбайт. Схема адресации реального режима непригодна для работы с такими большими объемами памяти, так как в этой схеме для физического адреса предусмотрено всего 20 разрядов.

Вторым крупным недостатком схемы адресации реального режима является то, что программы, работающие в реальном режиме, имеют полный доступ ко всей адресуемой памяти. Несмотря на то, что в MS-DOS имеются функции управления памятью, с помощью которых программы могут получить в свое распоряжение блоки памяти, ничто не помешает программе выполнить запись за пределами полученного блока или даже в системную область памяти, разрушив MS-DOS.

Если в мультизадачной среде одна задача может писать данные в область памяти, отведенной другой задаче, она может разрушить и эту задачу, и ядро операционной системы. Поэтому в мультизадачных операционных системах, разработанных для процессоров серии Intel 80xxx или Pentium, применяется только защищенный режим работы процессора.

Адресация памяти в защищенном режиме

В защищенном режиме, как и в реальном, логический адрес состоит из двух компонент. Однако эти компоненты называются не сегмент и смещение, а селектор и смещение . Для вычисления физического адреса в процессоре 80286 используются также две таблицы дескрипторов - глобальная таблица дескрипторов GDT (Global Descriptor Table ) и локальная таблица дескрипторов LDT (Local Descroptor Table ). Селектор используется для адресации ячейки одной из таблиц дескрипторов, содержащей помимо прочей информации базовый 24-разрядный адрес сегментов. Для получения физического адреса базовый адрес складывается со смещением, расширенным до 24 разрядов (рис. 2.3).

Рис. 2.3. получение физического адреса в процессоре 80286

Согласно этой схеме адресации памяти, селектор содержит номер ячейки таблицы дескрипторов, но не компоненту физического адреса. Программа может задавать не любые значения селекторов, а только те, которые соответствуют существующим ячейкам таблицы дескрипторов. Разумеется, программа может загрузить в сегментный регистр любое значение, однако при попытке обратиться к сегменту памяти с использованием неправильного селектора работа программы будет прервана.

Таким образом, несмотря на то, что компоненты адреса остались, как и в реальном режиме, 16-разрядными, новая схема адресации защищенного режима процессора 80286 позволяет адресовать до 16 Мбайт памяти, так как в результате преобразования получается 24-разрядный физический адрес.

Кроме индекса, используемого для выбора ячейки дескрипторной таблицы при формировании физического адреса, селектор содержит еще два поля (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Формат селектора

Поле TI (Table Indicator ) используется для выбора таблицы дескрипторов. Как мы уже говорили, существуют таблицы дескрипторов двух типов. В любой момент времени может использоваться одна глобальная таблица дескрипторов и одна локальная таблица дескрипторов. Если бит TI равен 0, для выборки базового адреса используется глобальная таблица дескрипторов GDT, если 1 - локальная LDT.

Зачем нужно использовать дескрипторные таблицы двух типов?

В мультизадачной операционной системе можно использовать одну глобальную таблицу дескрипторов для описания областей памяти, принадлежащей операционной системе и несколько локальных таблиц дескрипторов для каждой задачи. В этом случае при соответствующей настройке базовых адресов можно изолировать адресные пространства операционной системы и отдельных задач. Если сделать так, что каждая задача будет пользоваться только своей таблицей дескрипторов, любая задача сможет адресоваться только к своим сегментам памяти, описанным в соответствующей таблице, и к сегментам памяти, описанным в глобальной таблице дескрипторов. В системе может существовать только одна глобальная таблица дескрипторов.

Поле RPL (Requested Privilege Level ) селектора содержит уровень привилегий, запрошенный программой при обращении к сегменту. Программа может обращаться только к таким сегментам, которые имеют соответствующий уровень привилегий. Поэтому программа не может, например, воспользоваться глобальной таблицей дескрипторов для получения доступа к описанным в ней системным сегментам, если она не обладает достаточным уровнем привилегий. На этом основана защита системных данных от разрушения (преднамеренного или в результате программной ошибки) со стороны прикладных программ.

Таблица дескрипторов содержит, помимо базового адреса сегмента, другую информацию, описывающую сегмент (рис. 2.5). Точный формат дескриптора, а также других структур данных и системных регистров, имеющих отношение к работе в защищенном режиме, вы можете найти в 6 томе "Библиотеки системного программиста".

Рис. 2.5. Формат дескриптора сегмента процессора 80286

В частности, дескриптор содержит размер сегмента (предел). При вычислении физического адреса процессор следит за тем, чтобы физический адрес не выходил за пределы, указанные в дескрипторе сегмента. Программа не может обратиться к памяти, лежащей вне пределов, указанных в дескрипторе. Если же она попробует это сделать, ее работа будет прервана. Поэтому, создав, например, сегмент для хранения массива размером 100 байт, вы не сможете записать в него 101 байт или 10 Кбайт данных.

Поле доступа содержит уровень привилегий сегмента и информацию о типе сегмента. Существуют сегменты кода, сегменты данных и системные сегменты. Кроме того, для сегмента кода можно запретить операцию чтения, а для сегмента данных - операцию записи. Поэтому операционная система может создать сегменты кода, которые можно выполнять, но нельзя читать, и сегменты данных, защищенные от записи.

Что же касается привилегий, в процессорах 80ххх и Pentium существуют четыре уровня привилегий - от 0 до 3, причем наибольшие привилегии соответствуют уровню 0. Уровни привилегий часто называют также кольцами защиты (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Кольца защиты

В кольце 0 обычно работает ядро операционной системы. Кольцо 1 соответствует уровню привилегий драйверов, кольцо 2 - системам, таким как системы управления базами данных. В наименее привилегированном кольце 3 располагаются прикладные программы, запускаемые пользователем.

Описанная выше схема распределения привилегий может изменяться от одной операционной системы к другой. В операционной системе Windows 3.1 в нулевом кольце располагаются только виртуальные драйверы, все остальные модули Windows, а также приложения, работают в кольце 3.

Процессоры 80386, 80486 и Pentium используют более сложную схему адресации памяти, которая, однако, остается прозрачной для программиста.

Преобразование адреса в этих процессорах является многоступенчатым. Программы адресуют память с помощью логического адреса, состоящего из 16-разрядного селектора и 32-разрядного смещения. Так же, как и в процессоре 80286, селектор используется для выборки базового адреса сегмента из глобальной или локальной таблицы дескрипторов. Отличие заключается в том, что во-первых, используются 32-разрядные базовый адрес и смещение, а во-вторых, результат сложения называется линейным адресом и используется не для непосредственной адресации памяти, а для дальнейших преобразований (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Преобразование логического адреса в линейный

Старшие десять бит линейного адреса используются как индекс в каталоге таблиц страниц (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Преобразование линейного адреса в физический

В каталоге таблиц страниц хранятся дескрипторы, содержащие помимо другой информации, физические адреса таблиц страниц.

Следующие десять бит линейного адреса используются для выбора из таблицы страниц, адрес которой определяется старшими десятью битами линейного адреса.

Таблица страниц может описывать до 1024 страниц размером 4096 байт.

Младшие двенадцать бит линейного адреса содержат смещение адресуемого байта внутри страницы.

Отметим, что преобразование линейного адреса в физический выполняется процессором с помощью каталога таблиц страниц и таблиц страниц , подготовленных операционной системой. Программист, создающий приложения для Windows, никогда не работает с таблицами страниц или каталогом таблиц страниц. Он пользуется логическим адресом в формате <селектор:смещение>, поэтому схема преобразования логического адреса в физический остается для него прозрачной.

Операционная система Microsoft Windows версии 3.1 может работать, как вы знаете, в стандартном и расширенном режиме . В первом случае используется схема адресации процессора 80286, даже если в компьютере установлен процессор 80386. Если Windows работает на процессоре 80386, 80486 или Pentium, при наличии достаточного объема оперативной памяти (больше 2 Мбайт) по умолчанию используется расширенный режим работы и, соответственно, схема преобразования адресов процессора 80386.

Основное преимущество системы управления памятью расширенного режима работы Windows заключается в использовании виртуальной памяти. Виртуальная память работает на уровне страниц (описанных в каталогах страниц) и совершенно прозрачна для программиста. Операционная система Windows полностью управляет виртуальной памятью. Если программа пытается обратиться к странице, отсутствующей в памяти и выгруженной на диск, происходит прерывание работы программы, страница подгружается с диска, вслед за чем работа программы продолжается. Программа может заказывать для себя блоки памяти огромного размера, адресуясь к ним непосредственно, при этом возникает полная иллюзия работы с оперативной памятью большого размера.

Описанная выше схема адресации в защищенном режиме накладывает ограничения на операции, которое приложение Windows может выполнять над селекторами.

Приложение Windows не должно выполнять над селекторами арифметические операции и операции сравнения

Программируя для реального режима операционной системы MS-DOS, вы, возможно, при адресации блока памяти большого размера (больше 64 Кбайт) изменяли содержимое сегментных регистров. В защищенном режиме вы не можете делать никаких предположений относительно базового адреса следующего или предыдущего дескриптора в локальной или глобальной таблице дескрипторов.

Сказанное не означает, что приложения Windows не могут работать с блоками памяти, занимающими несколько сегментов. В этом случае для адресации вам нужно использовать специальные методы. Однако, если вы составляете приложение на языке программирования С или С++, при определении указателей на блоки памяти размером больше, чем 64 Кбайт, можно воспользоваться ключевым словом huge. Для таких указателей при необходимости будет автоматически выполняться переключение на нужные селекторы.

Работа приложения Windows не должна зависеть от уровня привилегий, предоставленного приложению операционной системой, так как в новых версиях Windows этот уровень может измениться.

Приведем исходный текст приложения SELECTOR, с помощью которого вы сможете проанализировать структуру селектора сегмента кода и сегмента данных, взятых из регистров CS и DS (листинг 2.1).

Листинг 2.1. Файл selector/selector.cpp

#define STRICT
#include <windows.h>

#pragma argsused
int PASCAL
WinMain(HINSTANCE hInstance,
   HINSTANCE hPrevInstance,
   LPSTR     lpszCmdLine, int nCmdShow)
{
  UINT uSelCS, uSelDS, uTICS, uTIDS;
  BYTE szBuf[100];

  // Получаем селектор сегмента кода
  asm mov ax, cs
  asm mov uSelCS, ax

  // Получаем селектор сегмента данных
  asm mov ax, ds
  asm mov uSelDS, ax

  // Выделяем бит TI. Если этот бит
  // равен 1, для адресации используется
  // глобальная таблица дескрипторов,
  // если 0 - локальная
  uTICS = (uSelCS & 4) >> 2;
  uTIDS = (uSelDS & 4) >> 2;

  // Выводим значения селекторов для сегментов
  // кода и данных, значения поля TI и номер
  // кольца защиты
  wsprintf(szBuf, "CS=%0X \tTI=%d\tRING=%d"
                "\nDS=%0X \tTI=%d\tRING=%d",
     uSelCS, uTICS, uSelCS & 3,
     uSelDS, uTIDS, uSelDS & 3);

  MessageBox(NULL, (LPSTR)szBuf,
     "CS & DS selector's", MB_OK);
  return 0;
}

Это приложение переписывает текущее содержимое регистров процессора CS и DS в переменные uSelCS и uSelDS. Далее содержимое бита TI селекторов, взятых из регистров DS и CS, переписывается в переменные uTICS и uTIDS, соответственно.

Запустив это нехитрое приложение, вы сможете убедиться, что операционная система Windows версии 3.1 предоставляет приложениям самый низкий уровень привилегий, располагая их в третьем кольце защиты (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Содержимое регистров CS и DS

Так как содержимое поля TI равно 1, это означает, что для адресации сегмента кода и сегмента данных используется локальная таблица дескрипторов.

В операционной системе Windows версии 3.1 все приложения используют одну общую локальную таблицу дескрипторов, что в принципе не исключает взаимного влияния приложений. Это означает, что адресные пространства приложений Windows не изолированы друг от друга. Поэтому не пытайтесь загружать в сегментные регистры неправильные селекторы. В следующих версиях Windows каждое приложение будет иметь свое собственное адресное пространство.

Используйте только те селекторы, которые получены приложением от операционной системы Windows.

Файл определения модуля приложения SELECTOR ничем не примечателен и приведен в листинге 2.2.

Листинг 2.2. Файл selector/selector.def

; =============================
; Файл определения модуля
; =============================
NAME        SELECTOR
DESCRIPTION 'Приложение SELECTOR, (C) 1994, Frolov A.V.'
EXETYPE     windows
STUB        'winstub.exe'
STACKSIZE   8120
HEAPSIZE    1024
CODE        preload moveable discardable
DATA        preload moveable multiple

Обработка прерываний в защищенном режиме

В реальном режиме для обработки прерываний используется таблица векторов прерываний, расположенная в первом килобайте адресного пространства. Эта таблица состоит из 256 элементов размером 4 байта, которые содержат полный адрес обработчиков прерывания в формате <сегмент:смещение>.

Как вы знаете, существуют аппаратные и программные прерывания. Аппаратные прерывания вырабатываются периферийными устройствами, как правило, при завершении ими операции ввода/вывода. Эти прерывания являются асинхронными по отношению к запущенным программам. Программные прерывания вызываются командой INT. Программные прерывания являются синхронными, так как они инициируются самой программой.

В ответ на прерывание любого типа в реальном режиме в регистры CS:IP процессора загружается адрес, взятый из соответствующей ячейки таблицы векторов прерываний, после чего управление передается по этому адресу. Обработчик прерываний, выполнив все необходимые действия, возвращает управление прерванной программе, выполняя команду IRET.

Программы MS-DOS широко используют программные прерывания для получения обслуживания от MS-DOS и BIOS.

Механизм обработки прерываний в защищенном режиме намного сложнее. Для определения адресов обработчиков прерываний в защищенном режиме используется дескрипторная таблица прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table ), расположение которой определяется содержимым специального системного регистра. Эта таблица содержит дескрипторы специальных типов - вентили прерываний, вентили исключений и вентили задач.

Вентиль прерываний содержат не только логический адрес обработчика прерывания, но и поле доступа. Программа может вызвать прерывание только в том случае, если она имеет для этого достаточный уровень доступа. Таким образом, операционная система, работающая в защищенном режиме, может запретить прикладным программам вызывать некоторые или все программные прерывания.

Обычные приложения Windows никогда не должны вызывать программные прерывания, так как для взаимодействия с операционной системой используется другой механизм, основанный на вызове функций из библиотек динамической загрузки. Тем не менее, некоторые прерывания (например, INT 21h) все же можно использовать. Для таких прерываний Windows выполняет трансляцию адресов из формата защищенного режима в формат реального режима.

Приложение Windows не должно пытаться изменить дескрипторную таблицу прерываний. Не следует также думать, что эта таблица расположена по адресу 0000h:0000h, селектор 0000h вообще не используется для адресации памяти.

Если в этом нет особой необходимости, приложение Windows не должно вызывать программные прерывания. Для работы с файлами, принтером, для вывода на экран следует вызывать функции программного интерфейса операционной системы Windows.