Обработка прерываний и исключений. Защита на уровне страниц

Защита на уровне страниц

Выполнение привилегированных команд

• Команды LGDT, LLDT, LTR, LIDT, MOV CRn, LMSW, CLTS, MOV DRn, INVD, WBINVD, INVLPG, HLT, RDMSR, WRMSR, RDPMC, RDTSC, SYSEXIT могут выполняться, только если CPL = 0 (хотя биты РСЕ и TSD регистра CR4 разрешают использование команд RDPMC и RDTSC с любого уровня).

Команды LLDT, SLDT, LTR, STR, LSL, LAR, VERR, VERW и ARPL можно выполнять только в защищенном режиме — в реальном и V86 возникает исключение #UD.

Команды CLI и STI выполняются, только если CPL =< IOPL (IOPL — это двухбитная область в регистре флагов). Если установлен бит PVI в регистре CR4, эти команды выполняются с любым CPL, но управляют флагом VIF, а не IF.

• Команды IN, OUT, INSB, INSW, INSD, OUTSB, OUTSW, OUTSD выполняются, только если CPL =< IOPL и если бит в битовой карте ввода-вывода, соответствующий данному порту, равен нулю. (Эта карта — битовое поле в сегменте TSS, каждый бит которого отвечает за один порт ввода-вывода. Признаком ее конца служит слово, в котором все 16 бит установлены в 1.)

• Обращение к странице памяти с битом U в атрибуте страницы или таблицы страниц, равным нулю, приводит к исключению #PF, если CPL = 3.

Попытка записи в страницу с битом W в атрибуте страницы или таблицы страниц, равным нулю, с CPL = 3 приводит к исключению #РF.

• Попытка записи в страницу с битом W в атрибуте страницы или таблицы страниц, равным нулю, если бит WP в регистре CR0 равен 1, приводит к исключению #РF.

До сих пор все наши программы работали в защищенном режиме с полностью отключенными прерываниями — ими нельзя было управлять с клавиатуры, они не могли работать с дисками и вообще не делали ничего, кроме чтения или записи в те или иные области памяти. Разумеется, ни одна программа не может сделать ничего серьезного в таком режиме — нам рано или поздно придется обрабатывать прерывания.

В реальном режиме адрес обработчика прерывания считывался процессором из таблицы, находящейся по адресу 0 в памяти. В защищенном режиме эта таблица, называемая IDT — таблицей дескрипторов прерываний, может находиться где угодно. Достаточно того, чтобы ее адрес и размер были загружены в регистр IDTR. Содержимое этой таблицы — не просто адреса обработчиков, как это было в реальном режиме, а дескрипторы трех типов: шлюз прерывания, шлюз ловушки и шлюз задачи (форматы этих дескрипторов рассматривались в предыдущей главе).

Шлюзы прерываний и ловушек указывают точку входа обработчика, а также его разрядность и уровень привилегий. При передаче управления обработчику процессор помещает в стек флаги и адрес возврата, так же как и в реальном режиме, но для некоторых исключений после этого в стек помещается дополнительный код ошибки, так что не все обработчики можно завершать простой командой IRETD (или IRET для 16-битного варианта). Единственное различие между шлюзом прерывания и ловушки состоит в том, что при передаче управления через шлюз прерывания автоматически запрещаются дальнейшие прерывания, пока обработчик не выполнит IRETD. Этот механизм считается предпочтительным для обработчиков аппаратных прерываний, в то время как шлюз ловушки, который не запрещает прерывания на время исполнения обработчика, предпочтителен для обработки программных прерываний (которые фактически и являются исключениями типа ловушки). Кроме того, в защищенном режиме при вызове обработчика прерывания сбрасывается флаг трассировки ТF.

Сначала рассмотрим пример программы, обрабатывающей только аппаратное прерывание клавиатуры при помощи шлюза прерываний. Для этого надо составить IDT, загрузить ее адрес командой LIDT и не забыть загрузить то, что содержится в регистре IDTR в реальном режиме, — адрес 0 и размер 4 * 256, соответствующие таблице векторов прерываний реального режима.

Управление задачами

Следующий очень важный механизм, действующий только в защищенном режиме, — многозадачность. Задача — это элемент работы, который процессор может исполнять, запустить или отложить. Задачи используют для выполнения программ, процессов, обработчиков прерываний и исключений, ядра операционной системы и пр. Любая программа, выполняющаяся в защищенном режиме, должна осуществляться как задача (хотя мы пока игнорировали это требование). Процессор предоставляет средства для сохранения состояния задачи, запуска задачи и передачи управления из одной задачи в другую.

Задача состоит из сегмента состояния задачи (TSS), сегмента кода, одного или нескольких (для разных уровней привилегий) сегментов стека и одного или нескольких сегментов данных.

Задача определяется селектором своего сегмента TSS. Когда задача выполняется, ее селектор TSS (вместе с дескриптором в скрытой части) загружен в регистр TR процессора.

Запуск задачи осуществляется при помощи команды CALL или JMP на сегмент TSS или на шлюз задачи, а также при запуске обработчика прерывания или исключения, который описан как шлюз задачи. При этом автоматически осуществляется переключение задач. Состояние текущей задачи записывается в ее TSS, состояние вызываемой задачи считывается из ее TSS, и управление передается на новые CS:EIP. Если задача не была запущена командой JMP, селектор сегмента TSS старой задачи сохраняется в TSS новой и устанавливается флаг NT, так что следующая команда IRET выполнит обратное переключение задач.

Задачи не могут вызываться рекурсивно. В дескрипторе TSS-задачи, которая была запущена, но не была завершена, тип изменяется на «занятый TSS» и переход на такой TSS невозможен.

Задача может иметь собственную таблицу дескрипторов (LDT) и полный комплект собственных таблиц страниц, так как регистры LDTR и CR3 входят в состояние задачи.

Дата добавления: 2014-01-05