Segment stavu úlohy - Task state segment

The segment stavu úkolu (TSS) je struktura na x86 - počítače na bázi, které obsahují informace o a úkol. To je používáno operační systém jádro pro správu úkolů. Konkrétně jsou v TSS uloženy následující informace:

  • Registr procesoru Stát
  • Oprávnění I / O portu
  • Ukazatele zásobníku na vnitřní úrovni
  • Předchozí odkaz na TSS

Všechny tyto informace by měly být uloženy na konkrétních místech v TSS, jak je uvedeno v IA-32 manuály.

Umístění TSS

TSS může být kdekoli Paměť. Registr segmentu zvaný registr úkolů (TR) obsahuje a selektor segmentů který ukazuje na platný deskriptor segmentu TSS, který se nachází v souboru GDT (deskriptor TSS nemusí být umístěn v LDT ). Proto pro použití TSS musí jádro operačního systému provést následující:

  1. Vytvořte položku deskriptoru TSS v GDT
  2. Načtěte TR selektorem segmentu pro daný segment
  3. Podle potřeby přidejte informace do TSS v paměti

Z bezpečnostních důvodů by měl být TSS umístěn v paměti, která je přístupná pouze pro jádro.

Registr úkolů

Registr TR je 16bitový registr, který obsahuje selektor segmentu pro TSS. Může být načten přes LTR návod. LTR je privilegovaná instrukce a funguje podobným způsobem jako ostatní načtení registru segmentů. Registr úloh má dvě části: část viditelnou a přístupnou programátorem a část neviditelnou, která se automaticky načte z deskriptoru TSS.

Zaregistrujte státy

TSS může obsahovat uložené hodnoty všech x86 registry. To se používá pro přepínání úkolů. The operační systém může načíst TSS s hodnotami registrů, které nový úkol potřebuje, a po provedení přepnutí hardwarového úkolu (například s IRET instrukce) CPU x86 načte uložené hodnoty z TSS do příslušných registrů. Všimněte si, že některé moderní operační systémy jako např Okna a Linux[1] nepoužívejte tato pole v TSS, protože implementují přepínání softwarových úkolů.

Všimněte si, že během přepínání úloh hardwaru jsou některá pole starý TSS jsou aktualizovány o aktuální obsah registru CPU před hodnotami z Nový TSS jsou čteny. Některá pole TSS jsou tedy pro čtení / zápis, zatímco jiná jsou jen pro čtení:

  • Pole pro čtení / zápis: čtení a zápis během přepínání úloh hardwaru.
    • Všechny univerzální registry (EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP);
    • Všechny segmentové registry (CS, DS, ES, FS, GS, SS);
    • Aktuální stav provádění (EIP, EFlag);
    • The Odkaz pole v Nový TSS, pokud k přepnutí úlohy došlo kvůli VOLÁNÍ nebo INT spíše než a JMP.
  • Pole jen pro čtení: číst pouze v případě potřeby, jak je uvedeno.
    • Řídicí registr 3 (CR3), také známý jako základní adresář stránek (PDBR).
      Číst během přepínání úloh hardwaru.
    • Registr tabulky místních deskriptorů (LDTR);
      Číst během přepínání úloh hardwaru.
    • Tři páry na úrovni privilegovaných (SS0: ESP0, SS1: ESP1, SS2: ESP2);
      Přečtěte si na mezilehlé úrovni VOLÁNÍ nebo INT založit nový zásobník.
    • Ukazatel bitmapového portu IO (IOPB) a samotný bitmapový port I / O;
      Číst během V, VEN, INS nebo OUTS instrukce, pokud CPL> IOPL k potvrzení, že instrukce je legální (viz Oprávnění I / O portu níže).

The PDBR pole je ve skutečnosti úplně první načtené z nového TSS: protože přepínač hardwarových úloh může také přepnout na úplně jiné mapování tabulky stránek, všechna ostatní pole (zejména LDTR) jsou relativní k novému mapování.

Oprávnění I / O portu

TSS obsahuje 16bitový ukazatel na bitmapu oprávnění I / O portu pro aktuální úkol. Tato bitmapa, obvykle nastavená operačním systémem při spuštění úlohy, určuje jednotlivé porty, ke kterým by měl mít program přístup. I / O bitmapa je bitové pole oprávnění přístupu k portu; pokud má program oprávnění pro přístup k portu, je u příslušného bitového indexu uložena „0“ a pokud program nemá oprávnění, je tam uložena „1“. Pokud je limit segmentu TSS menší než plná bitmapa, předpokládá se, že všechny chybějící bity jsou „1“.

Funkce funguje následovně: když program vydá instrukci x86 I / O portu, jako je IN nebo OUT (viz Výpisy instrukcí x86 - a všimněte si, že existují verze s délkou bajtu, slova a dwordu), hardware provede kontrolu úrovně I / O oprávnění (IOPL), aby zjistil, zda má program přístup ke všem I / O portům. Pokud Aktuální úroveň oprávnění (CPL) programu je numericky větší než úroveň I / O Privilege (IOPL) (program je méně privilegovaný než specifikuje IOPL), program nemá přístup I / O port ke všem portům. Hardware poté zkontroluje bitmapu oprávnění I / O v TSS, aby zjistil, zda má tento program přístup k určitým portům v instrukci IN nebo OUT. Pokud jsou (všechny) relevantní bit (y) v bitmapě oprávnění I / O portu jasné, program má povolený přístup k portům a instrukci je možné provést. Pokud je (je) nastaven (jsou) příslušný bit (y) - nebo pokud (kterýkoli z) bitů je / jsou za limitem segmentu TSS - program nemá přístup a procesor generuje porucha obecné ochrany. Tato funkce umožňuje operačním systémům udělit přístup k vybraným portům uživatelským programům.

Ukazatele zásobníku na vnitřní úrovni

TSS obsahuje 6 polí pro zadání nového ukazatel zásobníku když dojde ke změně úrovně oprávnění. Pole SS0 obsahuje selektor segmentu zásobníku pro CPL = 0 a pole ESP0 / RSP0 obsahuje novou hodnotu ESP / RSP pro CPL = 0. Dojde-li k přerušení v chráněném (32bitovém) režimu, ikona x86 CPU vyhledá v TSS pro SS0 a ESP0 a načte jejich hodnoty do SS a ESP. To umožňuje jádru použít jiný zásobník než uživatelský program a také mít tento zásobník jedinečný pro každý uživatelský program.

Nová funkce představená v AMD64 rozšíření se nazývá Interrupt Stack Table (IST), která se také nachází v TSS a obsahuje logické (segment + offset) ukazatele zásobníku. Pokud tabulka deskriptorů přerušení určuje položku IST, která se má použít (je jich 8), procesor místo toho načte nový zásobník z IST. To umožňuje použití známých dobrých zásobníků v případě vážných chyb (NMI nebo Dvojitá chyba například). Dříve položka pro výjimku nebo přerušení v IDT ukazovala na bránu úlohy, což způsobilo, že procesor přepnul na úlohu, na kterou ukazuje brána úlohy. Původní hodnoty registru byly uloženy do proudu TSS v době, kdy došlo k přerušení nebo výjimce. Procesor poté nastavil registry, včetně SS: ESP, na známou hodnotu uvedenou v TSS a selektor uložil do předchozího TSS. Problém je v tom, že přepínání úloh hardwaru není na AMD64 podporováno.

Předchozí odkaz na TSS

Jedná se o 16bitový selektor, který umožňuje propojení tohoto TSS s předchozím. Používá se pouze pro přepínání hardwarových úloh. Viz IA-32 manuály pro podrobnosti.

Použití TSS v Linuxu

Přestože lze TSS vytvořit pro každou úlohu spuštěnou v počítači, Linuxové jádro vytvoří pouze jeden TSS pro každý CPU a použije je pro všechny úkoly. Tento přístup byl zvolen, protože poskytuje snadnější přenositelnost do jiných architektur (například AMD64 architektura nepodporuje hardwarové přepínače úloh) a lepší výkon a flexibilitu. Linux používá pouze bitmapu oprávnění I / O portu a funkce vnitřního zásobníku TSS; ostatní funkce jsou potřebné pouze pro hardwarové přepínače úloh, které jádro Linux nepoužívá.[2]

Výjimky týkající se TSS

X86 výjimka vektor 10 se nazývá neplatná výjimka TSS (#TS). Vydává jej procesor, kdykoli se něco pokazí s přístupem TSS. Například pokud dojde k přerušení v CPL = 3 a přenáší řízení na CPL = 0, použije se TSS k extrahování SS0 a ESP0 / RSP0 pro přepínač zásobníku. Pokud registr úloh obsahuje špatný selektor TSS, bude vygenerována chyba #TS. Výjimka Invalid TSS by se nikdy neměla stát během normálního provozu operačního systému a vždy souvisí s chybami jádra nebo selháním hardwaru.

Více podrobností o výjimkách TSS najdete ve svazku 3a, kapitole 6 dokumentu IA-32 manuál.[3]

TSS v režimu x86-64

The x86-64 architektura nepodporuje hardwarové přepínače úloh. TSS však lze stále použít ve stroji běžícím v 64bitových rozšířených režimech. V těchto režimech je TSS stále užitečný, protože ukládá:

  1. Adresy ukazatele zásobníku pro každou úroveň oprávnění.
  2. Adresy ukazatele pro tabulku přerušení zásobníku (výše uvedená část ukazatele zásobníku na vnitřní úrovni popisuje potřebu tohoto).
  3. Offsetová adresa bitmapy oprávnění IO.

Registr úloh je v těchto režimech také rozšířen, aby bylo možné uchovávat 64bitovou základní adresu.

Reference

  1. ^ Bovet, Daniel Pierre; Cesatí, Marco (2006). Porozumění jádru Linuxu, třetí vydání. O'Reilly Media. p. 104. ISBN  978-0-596-00565-8. Citováno 2009-11-23.
  2. ^ Daniel P. Bovet; Marco Cesati (2006). Porozumění jádru Linuxu. books.google.com. O'Reilly. p. 104. ISBN  9780596554910. Citováno 2014-02-25.
  3. ^ „Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual Volume 3a“. Citováno 21. května 2012.

externí odkazy