Некоторые понятия защищенного режима

Защищенный режим является основным и наиболее естественным режимом работы 32-разрядных процессоров. Этот режим был в полной мере реализован в процессорах серии i386 и с тех пор существенных изменений не претерпел.
Защищенный режим 32-разрядных процессоров реализует поддержку следующих механизмов:

• Организация памяти, при которой используются два механизма преобразования памяти: сегментация и разбиение на страницы.
• Четырехуровневая система защиты пространства памяти и ввода/вывода.
• Переключение задач.

Сегмент - это блок пространства памяти определенного назначения, внутри которого применяется линейная адресация. Максимальный размер сегмента при 32-разрядной адресации составляет 4 Гб (2³² байт). Максимальное число таких сегментов равно 2¹³ (8192). Сегмент может иметь произвольную длину в допустимых границах.
Каждый сегмент характеризуется 8-байтной структурой данных - дескриптором сегмента, в котором, в числе прочего, указаны:

• Права доступа, которые определяют возможность чтения, записи и исполнения сегмента.
• Уровень привилегий (относится к четырехуровневой системе защиты).

На сегментации основана защита памяти. При этом не допускается:

• использовать сегменты не по назначению (нарушение прав доступа);
• обращаться к сегменту, не имея достаточных привилегий;
• адресоваться к элементам, выходящим за границы сегмента.

Страничная организация памяти позволяет использовать большее пространство памяти. При этом базовым объектом памяти служит блок фиксированного размера 4 Кб.
Физический адрес памяти, получаемый на выходе сегментного и страничного преобразования памяти, является 32-разрядным, позволяя адресовать, таким образом, до 4 Гб реально доступной физической памяти.
Четырехуровневая система привилегий предназначена для управления использованием привилегированных инструкций, а также для защиты пространства памяти и ввода/вывода.
Уровни привилегий нумеруются от 0 до 3, нулевой уровень соответствует максимальным (неограниченным) возможностям доступа и отводится для ядра ОС, Уровень 3 имеет самые ограниченные права и обычно предоставляется прикладным задачам.
Систему защиты обычно изображают в виде колец, соответствующих уровням привилегий, а сами уровни привилегий иногда называют кольцами защиты.
В зависимости от уровня привилегий осуществляется защита по доступу к привилегированным командам, по доступу к данным с более высоким уровнем привилегий и по передаче управления коду с уровнем привилегий, отличным от текущего.
Защищенный режим предоставляет средства переключения задач. Состояние каждой задачи (значения всех связанных с ней регистров процессора) может быть сохранено в специальном сегменте состояния задачи. Там же хранится карта разрешения ввода/вывода, указывающая для каждого из 64К адресов портов ввода/вывода возможность обращения к нему.
ОС NT использует два кольца защиты - 0 и 3, имея соответственно режим работы в 0 кольце - kernel mode, в 3 кольце — user mode.