[02] - организация работы с памятью
Как процессор работает с памятью?
Для начала небольшое предисловие.
В процессорах имеются базовые регистры, которые могут задавать смещение. На 16-битной архитектуре максимальное смещение могло быть до 64 килобайт, что, в общем-то, не много и вызывало определенные трудности (разные модели памяти, разные форматы файлов). Так же, в 16-битной архитектуре присутствовали сегментные регистры, которые указывали адрес сегмента в памяти. В процессорах, начиная с i386, базовые регистры стали 32-х битными, что позволяет адресовать до 4 гигабайт. Сегментные регистры остались 16-битными, и в защищенном режиме они не содержат адреса! они содержат индекс дескриптора. В реальном режиме сегментные регистры работают так же, как и на 16-битных процессорах.
В реальном режиме сегментные регистры непосредственно указывают на адрес начала сегмента в памяти. Это позволяет нам, без каких либо преград, адресовать 1 мегабайт памяти. Но создает определенные трудности для защиты. А защищать нам нужно многое. Например, мы не можем пользовательским программам дать возможность непосредственно обращаться к коду или данным ядра. Так же мы не можем дать возможность пользовательским программам обращаться к коду или данным других пользовательских программ, поскольку это может нарушить их работоспособность.
Для этого был изобретен защищенный режим работы процессора, который появился в процессорах i286.
Защищенность этого режима заключается в следующем:
Сегментный регистр больше не указывает на адрес в памяти. В этом регистре теперь задается индекс в таблице дескрипторов.
Таблица дескрипторов может быть глобальная или локальная (применяется в многозадачных системах для изоляции адресного пространства задач) и представляет собой массив записей, по 8 байт в каждой, где описываются адреса, пределы и права доступа к сегментам.
Про адрес ничего не буду говорить, и так все ясно. Что такое предел? В этом Поле описывается размер сегмента. При обращении за пределы сегмента процессор генерирует исключение (специальное прерывание защищенного режима). Так же исключение генерируется в случае нарушения прав доступа к сегменту. Поле прав доступа описывает возможность чтения/записи сегмента, возможность выполнения кода сегмента, уровень привилегий для доступа к сегменту.
При обращении к сегменту из дескриптора берется базовый адрес сегмента и складывается со смещением сегмента. Так получается линейный 32-х разрядный (в i286 - 24-х разрядный) адрес. Для i286 на этом процесс получения адреса завершается, линейный адрес там равен физическому. Для i386 или выше это справедливо не всегда.
Страничная организация памяти.
В процессорах, начиная с i386, появилась, так называемая, страничная организация памяти. Страница имеет размер 4 килобайта или 4 мегабайта. Большие страницы могут быть только в pentium или выше. Не знаю только, какой толк от таких страниц.
Если возможность страничной адресации не используется, то линейный адрес, как и на i286, равен физическому. Если используется - то линейный адрес разбивается на три части. Первая, 10-битная, часть адреса является индексом в каталоге страниц, который адресуется системным регистром CR3. Запись в каталоге страниц указывает адрес таблицы страниц. Вторая, 10-битная, часть адреса является индексом в таблице страниц. Запись в таблице страниц указывает физический адрес нахождения страницы в памяти. последние 12 бит адреса указывают смещение в этой странице.
В страничных записях, как и в дескрипторных записях, есть служебные биты, описывающие права доступа, и некоторые другие тонкости страниц. Одной из важных тонкостей является бит присутствия страницы в памяти. В случае не присутствия страницы, процессор генерирует исключение, в котором можно считать данную страницу из файла или из swap раздела. Это сильно облегчает реализацию виртуальной памяти. Чуть ниже мы про это поговорим.
Для начала небольшое предисловие.
В процессорах имеются базовые регистры, которые могут задавать смещение. На 16-битной архитектуре максимальное смещение могло быть до 64 килобайт, что, в общем-то, не много и вызывало определенные трудности (разные модели памяти, разные форматы файлов). Так же, в 16-битной архитектуре присутствовали сегментные регистры, которые указывали адрес сегмента в памяти. В процессорах, начиная с i386, базовые регистры стали 32-х битными, что позволяет адресовать до 4 гигабайт. Сегментные регистры остались 16-битными, и в защищенном режиме они не содержат адреса! они содержат индекс дескриптора. В реальном режиме сегментные регистры работают так же, как и на 16-битных процессорах.
В реальном режиме сегментные регистры непосредственно указывают на адрес начала сегмента в памяти. Это позволяет нам, без каких либо преград, адресовать 1 мегабайт памяти. Но создает определенные трудности для защиты. А защищать нам нужно многое. Например, мы не можем пользовательским программам дать возможность непосредственно обращаться к коду или данным ядра. Так же мы не можем дать возможность пользовательским программам обращаться к коду или данным других пользовательских программ, поскольку это может нарушить их работоспособность.
Для этого был изобретен защищенный режим работы процессора, который появился в процессорах i286.
Защищенность этого режима заключается в следующем:
Сегментный регистр больше не указывает на адрес в памяти. В этом регистре теперь задается индекс в таблице дескрипторов.
Таблица дескрипторов может быть глобальная или локальная (применяется в многозадачных системах для изоляции адресного пространства задач) и представляет собой массив записей, по 8 байт в каждой, где описываются адреса, пределы и права доступа к сегментам.
Про адрес ничего не буду говорить, и так все ясно. Что такое предел? В этом Поле описывается размер сегмента. При обращении за пределы сегмента процессор генерирует исключение (специальное прерывание защищенного режима). Так же исключение генерируется в случае нарушения прав доступа к сегменту. Поле прав доступа описывает возможность чтения/записи сегмента, возможность выполнения кода сегмента, уровень привилегий для доступа к сегменту.
При обращении к сегменту из дескриптора берется базовый адрес сегмента и складывается со смещением сегмента. Так получается линейный 32-х разрядный (в i286 - 24-х разрядный) адрес. Для i286 на этом процесс получения адреса завершается, линейный адрес там равен физическому. Для i386 или выше это справедливо не всегда.
Многозадачность.
Многозадачные возможности в процессорах так же появились в процессорах, начиная с i286. Для реализации этого, процессор для каждой задачи использует, так называемый, "сегмент состояния задачи" ("Task State Segment", сокращенно TSS). В этом сегменте, при переключении задач, сохраняются все базовые регистры процессора, сегменты и указатели стека для трех уровней защиты (для каждого уровня используется свой стек), сегментный адрес локальной таблицы дескрипторов ("Local descriptor table", сокращенно LDT). В процессорах, начиная с i386, там еще хранится адрес каталога страниц (регистр CR3). Так же этот сегмент обеспечивает некоторые другие механизмы защиты, но о них мы пока не будем говорить.
Операционная система может расширить TSS, и использовать его для хранения регистров и состояния сопроцессора. Процессор при переключении задач не сохраняет этого. Так же возможны другие применения.
Что из всего этого следует?
В своей работе мы не будем ориентироваться на процессор i286, поскольку 16-битная архитектура и отсутствие механизма страничного преобразования сильно усложняет программирование операционной системы. К тому же, таких процессоров давно уже никто не использует.
Ориентироваться мы будем на i386 или более старшие модели процессоров, вплоть до последних.
Ядро системы при распределении памяти оперирует 4-х килобайтными страницами.
Страницы могут использоваться самим ядром, для нужд драйверов (кэширование, например), или для процессов.
Программа или процесс состоит из следующих частей:
* Сегмент кода. Может только выполняться, сама программа его не прочитать, не переписать не может! Использовать для этого сегмента swap не нужно, при необходимости код считывается прямо из файла;
* Сегмент данных состоит из трех частей:
o Константные данные, их тоже можно загружать из файла, так как они не меняются при работе программы;
o Инициализированные данные. Участвует в процессе свопинга;
o Не инициализированные данные. Так же участвует в свопинге;
* Сегмент стека. Так же участвует в свопинге.
Но, обычно, системы делят сегмент данных на две части: инициализированные данные и не инициализированные данные.
Все сегменты разбиваются на страницы. Сегмент кода имеет постоянный размер. Сегмент данных может увеличиваться в сторону больших адресов. Сегмент стека, поскольку растет вниз, увеличивается в сторону уменьшения адресов. Страницы памяти для дополнительных данных или стека выделяются системой по мере необходимости.
Очень интересный момент:
При выполнении программы операционная система делает следующие действия:
* Готовит для программы локальную таблицу дескрипторов;
* Готовит для программы каталог страниц, все страницы помечаются как не присутствующие в памяти.
* Все.
При передаче управления этой программе процессор генерирует исключение по отсутствию страницы, в котором нужная страница загружается из файла или инициализируется.
Еще один интересный момент:
Когда в системе загружается две или более одинаковых программы - нет необходимости для каждой из них выделять место для кодового сегмента, они спокойно могут использовать один код на всех.