Cамоучитель по Assembler
Сегментные регистры и теневые регистры дескрипторов.
Тем не менее после перехода в защищенный режим прежде всего следует загрузить в используемые сегментные регистры селекторы соответствующих сегментов. Это позволит процессору правильно заполнить все поля теневых регистров из таблицы дескрипторов. Пока эта операция не выполнена, некоторые поля теневых регистров (в частности, границы сегментов) содержат неверную информацию.
Загрузить селекторы в сегментные регистры DS, SS и ES не представляет труда. Но как загрузить селектор в регистр CS, в который запрещена прямая запись? Для этого можно воспользоваться искусственно сконструированной командой дальнего перехода, которая, как известно, приводит к смене содержимого и IP, и CS. Фрагмент
db OEAh ;Код команды far jmp
dw offset continue ;Смещение
dw 16 ;Селектор сегмента команд
выглядящий совершенно нелепо в сегменте команд, как раз и демонстрирует эту методику. В реальном режиме мы поместили бы во второе слово адреса сегментный адрес сегмента команд, в защищенном же мы записываем в него селектор этого сегмента (число 16).
Команда дальнего перехода, помимо загрузки в CS селектора, выполняет еще одну функцию - она очищает очередь команд в блоке предвыборки команд процессора. Как известно, в современных процессорах с целью повышения скорости выполнения программы используется конвейерная обработка команд программы, позволяющая совместить во времени фазы их обработки. Одновременно с выполнением текущей (первой) команды осуществляется выборка операндов следующей (второй), дешифрация третьей и выборка из памяти четвертой команды. Таким образом, в момент перехода в защищенный режим уже могут быть расшифрованы несколько следующих команд и выбраны из памяти их операнды. Однако эти действия выполнялись, очевидно, по правилам реального, а не защищенного режима, что может привести к нарушениям в работе программы. Команда перехода очищает очередь предвыборки, заставляя процессор заполнить ее заново уже в защищенном режиме.
Далее выполняется загрузка в сегментные регистры DS и SS значений соответствующих селекторов, и на этом, наконец, заканчивается процедура перехода в защищенный режим.
Следующий фрагмент программы является, можно сказать, диагностическим. В нем инициализируется (по правилам защищенного режима!) сегментный регистр ES и в видеобуфер из регистра АХ выводится один символ. Код 0Fh соответствует изображению большой звездочки, а атрибут 9Fh - ярко-белому мерцающему символу на синем поле. Появление этого символа на экране служит подтверждением правильного функционирования программы в защищенном режиме.
Почему мы не предусмотрели вывод на экран хотя бы одной содержательной строки? Дело в том, что в защищенном режиме запрещены любые обращения к функциям DOS или BIOS. Причина этого совершенно очевидна - и DOS, и BIOS являются программами реального режима, в которых широко используется сегментная адресация реального режима, т.е. загрузка в сегментные регистры сегментных адресов. В защищенном же режиме в сегментные регистры загружаются не сегментные адреса, а селекторы. Кроме того, обращение к функциям DOS и BIOS осуществляется с помощью команд программного прерывания int с определенными номерами, а в защищенном режиме эти команды приведут к совершенно иным результатам. Поэтому в программе, работающей в защищенном режиме и не имеющей специальных и довольно сложных средств перехода в так называемый режим виртуального 86-го процессора, вывод на экран можно осуществить только прямым программированием видеобуфера. Нельзя также выполнить запись или чтение файла; более того, нельзя даже завершить программу средствами DOS. Сначала се надо вернуть в реальный режим.
Возврат в реальный режим можно осуществить разными способами. Мы воспользуемся для этого тем же регистром CRO, с помощью которого мы перевели процессор а защищенный режим. Казалось бы, для возврата в реальный режим достаточно сбросить бит 0 этого регистра. Однако дело обстоит не так просто. Для корректного возврата в реальный режим надо выполнить некоторые подготовительные операции, рассмотрение которых позволит нам глубже вникнуть в различия реального и защищенного режимов.
При работе в защищенном режиме в дескрипторах сегментов записаны, среди прочего, их линейные адреса и границы. Процессор при выполнении команды с адресацией к тому или иному сегменту сравнивает полученный им относительный адрес с границей сегмента и, если команда пытается адресоваться за пределами сегмента, формирует прерывание (исключение) нарушения общей защиты. Если в программе предусмотрена обработка исключений, такую ситуацию можно обнаружить и как то исправить. Таким образом, в защищенном режиме программа не может выйти за пределы объявленных ею сегментов, а также не может выполнить действия, запрещенные атрибутами сегмента. Так, если сегмент объявлен исполняемым (код атрибута 1 981т), то данные из этого сегмента нельзя читать или модифицировать; если атрибут сегмента равен 92h, то в таком сегменте не может быть исполняемых команд, на зато данные можно как читать, так и модифицировать. Указав для какого-то сегмента код атрибута 90h, мы получим сегмент с запрещением записи. При попытке записи в этот сегмент процессор сформирует исключение общей защиты.
Как уже отмечалось, дескрипторы сегментов хранятся в процессе выполнения программы в теневых регистрах (см. Рисунок 4.11), которые загружаются автоматически при записи в сегментный регистр селектора.
При работе в реальном режиме некоторые поля теневых регистров должны быть заполнены вполне определенным образом. В частности, поле границы любого сегмента должно содержать число FFFFh, а бит дробности сброшен. Следует подчеркнуть, что границы всех сегментов должны быть точно равны FFFFh; любое другое число, например, FFFEh, "не устроит" реальный режим.
Если мы просто перейдем в реальный режим сбросом бита 0 в регистре CR0, то в теневых регистрах останутся дескрипторы защищенного режима и при первом же обращении к любому сегменту программы возникнет исключение общей защиты, так как ни один из наших сегментов не имеет границы, равной FFFFh. Поскольку мы не обрабатываем исключения, произойдет либо сброс процессора и перезагрузка компьютера, либо зависание. Таким образом, перед переходом в реальный режим необходимо исправить дескрипторы всех наших сегментов: команд, данных, стека и видеобуфера К сегментным регистрам FS и GS мы не обращались, и о них можно не заботиться.
Теневые регистры, куда, собственно, надо записать значение границы, нам недоступны. Для из модификации придется прибегнуть к окольному маневру: записать в поля границ всех четырех дескрипторов значение FFFFh, а затем повторно загрузить селекторы в сегментные регистры, что приведет к перезаписи содержимого теневых регистров. С сегментным регистром CS так поступить нельзя, поэтому его загрузку придется выполнить, как и ранее, с помощью искусственно сформированной команды дальнего перехода.
Настроив все использовавшиеся в программе сегментные регистры, можно сбросить бит 0 в CR0. После перехода в реальный режим нам придется еще раз выполнить команду дальнего перехода, чтобы очистить очередь команд в блоке предвыборки и загрузить в регистр CS вместо хранящегося там селектора обычный сегментный адрес регистра команд.
Теперь процессор снова работает в реальном режиме, причем, хотя в сегментных регистрах DS, ES и SS остались незаконные для реального режима селекторы, программа будет какое-то время выполняться правильно, так как в теневых регистрах находятся правильные линейные адреса (оставшиеся от защищенного режима) и законные для реального режима границы (загруженные туда нами). Если, однако, в программе встретятся команды сохранения и восстановления содержимого сегментных регистров, например
push DS
...
pop DS
выполнение программы будет нарушено, так как команда pop DS загрузит в DS не сегментный адрес реального режима, а селектор, т.е. число 8 в нашем случае. Это число будет рассматриваться процессором, как сегментный адрес, и дальнейшие обращения к полям данных приведут к адресации физической памяти начиная с абсолютного адреса 80h, что, конечно, лишено смысла. Даже если в нашей программе нет строк сохранения и восстановления сегментных регистров, они неминуемо встретятся, как только произойдет переход в DOS по команде int 21h, так как диспетчер DOS сохраняет, а затем восстанавливает все регистры задачи, в том числе и сегментные. Поэтому после перехода в реальный режим необходимо загрузить в используемые далее сегментные регистры соответствующие сегментные адреса, что и выполняется в программе для регистров DS и SS. Надо также не забыть разрешить запрещенные нами ранее аппаратные прерывания (команда sti).
Можно еще заметить, что в той части программы, которая выполняется в защищенном режиме, не используется стек. Учитывая это, можно было несколько сократить текст программы, удалив из нее строки настройки регистра SS как при подготовке перехода в защищенный режим, так и при возврате в реальный. Не было также необходимости заново инициализировать указатель стека, так как его исходное содержимое - смещение дна стека, равное 512, никуда из SP не делось бы.
Программа завершается обычным образом функцией DOS 4Ch. Нормальное завершение программы и переход в DOS в какой-то мере свидетельствует о ее правильности.
У рассмотренной программы имеется серьезный недостаток - полное отсутствие средств отладки. Для отладки программ защищенного режима используется механизм прерываний и исключений, в нашей же программе этот механизм не активизирован. Поэтому всякие неполадки при работе в защищенном режиме, которые с помощью указанного механизма можно было бы обнаружить и проанализировать, в данном случае будут приводить к сбросу процессора.
В приведенном примере проиллюстрированы лишь базовые средства программирования защищенного режима: понятие селекторов и дескрипторов, создание глобальной таблицы дескрипторов, переход в защищенный режим и обратно, адресация в защищенном режиме. За кадром остались такие важные вопросы, как обработка исключений и аппаратных прерываний, уровни привилегий и защита по привилегиям, раздельные операционные среды и таблицы локальных дескрипторов, создание и взаимодействие задач, режим виртуального процессора 8086 и другие.
