PDF de programación - Modo Protegido Arquitectura Intel

Arquitectura de Computadores II

Clase 15

Introducción al modo protegido

Facultad de Ingeniería

Universidad de la República

Instituto de Computación



Contenido

• Generalidades.
• Modos de operación.
• Manejo de traps.



Intel 32 bits

• Breve reseña histórica:

– 1982 Intel introduce el 286 de 16 bits

• Modo protegido, manejo de memoria virtual

– 1985 aparece el 386, primer procesador Intel de 32 bits

• Direccionamiento de 32 bits (4Gb de memoria física)
• Memoria segmentada
• Paginación

– 1989 introduce el 486

• Cache de nivel 1 (on-chip cache)
• On-chip 387 math coprocessor (integrado en el CPU)
• Manejo de ahorro del consumo

– 1993 introduce procesadores Pentium

• Segundo pipe de ejecución
• Duplica la cache
• Protocolo MESI para mejorar manejo de la cache
• Branch prediction
• APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller), soporte para múltiples

procesadores, manejo interrupciones internas (timer interno) y externas



• Tecnología MMX



Modo Protegido Arquitectura Intel

• Breve introducción a las nuevas
funcionalidades ofrecidas por la
arquitectura Intel 386 en modo protegido
– Espacio de memoria extendido y protegido
– Funcionalidades destinadas a facilitar un

ambiente multi-tarea

– Paginación
– Modo 8086 virtual



Modo Protegido Arquitectura Intel

• Brinda múltiples funcionalidades que potencian la

multitarea y mejoran la estabilidad del sistema

• Entre estas funcionalidades está la protección de
memoria, paginación y soporte de un manejo de
memoria virtual, a través de la MMU (memory
management unit)

• La mayoría de los S.O. actuales como Windows y Linux

corren en modo protegido

• Modo Real deshabilita estas mejoras para brindar

compatibilidad hacia atrás (DOS)



Modos de Operación

• Modo Real (procesador arranca en este modo)
• Modo Protegido
• System Managment Mode (SMM)

– Manejo de energía, mediante una interrupción
externa se accede a este modo y el procesador
brinda un espacio de memoria separado preservando
contexto

– Habilita correr software 8086 (16 bits) en un entorno

• Modo Virtual-8086

protegido
• Modo IA-32

– En arquitecturas de 64 bits, permite compatibilidad

con software 32bits



Modos de Operación



Protección

• Existen cuatros niveles de privilegio

– Numerados del 0 al 4 (a mayor número menores

privilegios

– Restringen acceso a memoria de datos, código, etc
– Restringen las instrucciones accesibles



Registros de Control

• Existen cinco registros de 32 bits, CR0 .. CR4, que

determinan:
– el modo de funcionamiento del procesado
– características de la actual tarea en ejecución

• CR0 controla el modo de operación y el actual estado

del procesador
• CR1 reservado
• CR2 y CR3 usado por el sistema de paginación de

memoria

• CR4 habilita diversas extensiones de la arquitectura
• Todos estos registros sólo pueden ser manipulados en

el nivel 0 de privilegio



Registros de Control

• Algunas banderas del CR0

– PG habilita la paginación de la memoria
– CD habilita la cache
– NW configura la cache
– AM habilita el chequeo automático de alineamiento a 16 bits.
– WP habilita la escritura de páginas read only por rutinas con

mayores privilegios

– NE numeric error FPU (Floating-point unit)
– ET en 1 en procesadores Pentium, en 386 y 486 indica el

soporte de instrucciones Intel 387 DX coprocesador matemático

– PE habilita el modo protegido (bit 0)



Registro de Banderas

• IF controlada por cli, sti, iret
• TF procesador genera una excepción de debug

para permitir correr paso a paso

• IOPL contiene el actual nivel de privilegio



Direccionamiento Segmentado de

Memoria (MMU)

•

Independientemente del modo se mantiene el concepto de
segmentos, a partir de los cuales se obtiene la dirección base de
memoria donde comienza cada segmento, y al que se le suma un
determinado offset

• Existen diversos registros que identifican los segmentos: CS, DS,

SS, ES, FS, GS

• Cada uno de ellos refiere a determinado tipo de segmento: code,

data, stack.

• Facilitan la separación lógica de la información de distintas tareas,
de forma que puedan correr en el mismo procesador sin interferir
unas con otras.



Direccionamiento Segmentado de

Memoria

• Modo Real, el registro de segmento contiene los

16 bits del alto orden de una dirección base
lineal de 20 bits

• Modo Protegido, el registro de segmento es un
índice en una tabla de estructuras de datos que
contiene diversas propiedades de cada
segmento
– Dirección base
– Límite
– Nivel de privilegio
– Otras propiedades



Direccionamiento Segmentado de

Memoria



Direccionamiento Segmentado de

Memoria

• Memoria física 232 bytes = 4 GigaBytes

– Pudiendo ser mapeada en memoria de

lectura-escritura, solo lectura, memoria I/O

• Existen dos nivel de transformaciones

para llevar de una dirección lógica a una
física:
– Logical address translation
– Linear address space paging (opcional)



Logical to linear address translation



Paging (demand paged virtual

memory)

• En modo protegido esta arquitectura permite que el espacio de
memoria lineal de 4GBytes sea mapeado directamente en una
memoria física del mismo tamaño o indirectamente mediante el
paginado en una memoria física de menor tamaño

• Páginas de largo fijo (4KBytes, 2MBytes o 4MBytes) que son

mapeadas en memoria o disco.

• Si en el momento de acceder a una página ésta no se encuentra en

memoria, se produce una excepción, permitiendo el manejo de un
sistema de memoria virtual.

• También se puede lograr con los segmentos.



Paging (virtual memory)

Linear to physical address translatioin



Direccionamiento de Memoria
Segmentación + Paginación



s
o

t


s
a
r
u

t
c
u
r
t
s
e


y

s
o
r
t
s
g
e
R


i

a
d



e
d



Registros de Organización de

Memoria

• System Table Registers

Contienen direcciones base y límites de las tablas que
controlan el manejo de memoria e interrupciones
– GDTR Global Descriptor Table Register
– IDTR Interrupt Descriptor Table Register

• System Segment Register

Contienen posiciones en la GDT
– LDTR Local Descriptor Table Register
– TR Task Register

• Las direcciones base de estas tablas tienen que estar

alineadas a fronteras de 8 bytes



Segment Descriptor Tables

• Son tablas de segment descriptors,

existen dos tipos: GDT y LDT



Segment register

• Existen seis registros de segmento de 16

bits: CS, DS, SS, ES, FS, GS



Tipos de segmentos



Interrupciones y Excepciones

•

Interrupciones
– Ocurren asincrónicamente por eventos de hardware y también

pueden ser invocadas por software

• Excepciones

– Procesador detecta condiciones de error al ejecutar una
instrucción (división por cero), violaciones de protección,
páginas faltantes, etc

– Se dividen en:

• Faults: excepción que puede ser corregida y volver luego al flujo

normal de ejecución (páginas faltantes). Se retorna a la instrucción
que provocó la excepción

• Traps: excepción reportada luego de ejecutar una instrucción, se

vuelve a la instrucción siguiente

• Aborts: excepción que no reporta precisamente el lugar que

provoco la propia excepción, no permiten retomar el flujo normal
(errores de hardware, valores ilegales en las tablas del sistema)



Interrupciones y Excepciones

• IDT Interrupt Description Table

– Contiene un arreglo de gate descriptors, los

cuales proveen acceso a las rutinas de
atención de interrupciones

– Se carga y recupera mediante las

instrucciones protegidas de sidt y lidt

– Los gate descriptors en esta tabla pueden ser

de los siguientes tipos: interrupt, trap o task
gate descriptors



Interrupciones y Excepciones



Call, interrupt y trap gates



Tasks

• Facilidades para el manejo de tareas
• Una tarea esta formada por:

– un entorno de ejecución

• CS, DS, SS (stacks separados para distintos niveles de protección)

– un TSS (Task-state segment)

• Especifica los segmentos que conforman el entorno de ejecución y
provee espacio de almacenamiento para guardar el estado de una
tarea.

• En ambientes multitarea brinda una forma de anidar tareas

• Cada tarea es identificada por el segment selector que

direcciona su TSS en el GDT

• Si se habilita la paginación CR3 se carga con la

dirección de directorio de paginas utilizado por la tarea



Tasks



Task-State Segment

• Contexto de una
tarea cargado y
salvado
automáticamente por
hardware

• Existen 3 niveles de
stack, de forma que
invocaciones desde
distintos niveles de
protección no
compartan el stack



Ejecución de una tarea

• Un software o el procesador puede despachar

una tarea en una de las siguientes formas:
– Software (explícito )

• Call a una tarea (call a un task-gate descriptor)
• Jump a una tarea (jmp a un task-gate descriptor)

– Procesador (implícito)

• Call del procesador a un interrupt-handler task
• Call del procesador a un exception-handler task
• Un iret cuando el NT en las flags está prendido

• Inicialmente se debe cargar en el TR (task

register) mediante la instrucción ldtr, el TSS de
la actual tarea



Referencias

• Intel, Intel® 64 and IA-32 Architectures

Software Developer’s Manual, Volume 3A,
System Programming Guide, Part 1, May
2007.



Preguntas