Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ (2006) (1186252), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Рассмотрим, как реализуется механизм переключения задач в процессорах jc86.
7.2.1. Сегмент состояния задачи
Переключение задач в мультизадачной системе предполагает сохранение состояния приостанавливаемой задачи на момент ее останова. Информация о задаче, сохраняемая для последующего восстановления прерванного процесса, называется ее контекстом. В системе выделяется область оперативной памяти, доступная только ОС, в которой хранятся контексты задач. Для минимизации времени переключения контекста следует сохранять и восстанавливать минимальную информацию о каждой задаче.
В какой-то степени процесс переключения задачи напоминает вызов процедуры. Отличие состоит в том, что при вызове процедуры информация о точке возврата (автоматически) и содержимое некоторых РОН (программно) помещается в стек, что определяет свойство реентерабельности процедур (возможность вызова самой себя). Задачи не являются реентерабельными, т. к. контексты сохраняются не в стеке, а в фиксированной (для каждой задачи) области памяти в специальной структуре данных, называемой сегментом состояния задачи (Task State Segment, TSS), причем каждой задаче соответствует один TSS.
Сегмент TSS определяется дескриптором, который может находиться только в GDT. Формат дескриптора TSS похож на дескриптор сегмента кода и содержит обычные для дескриптора сегмента поля: базового адреса, предела, DPL, биты гранулярности (G = 0) и присутствия Р, бит S = 0 — признака системного сегмента. В поле типа бит занятости В показывает, занята задача или нет. Занятая задача выполняется сейчас или ожидает выполнения. Процессор использует бит занятости для обнаружения попытки вызова задачи, выполнение которой прервано. Поле предела должно содержать значение, не меньшее 67h, что на один байт меньше минимального размера TSS. Формат 32-разрядного TSS представлен на рис. 7.11.
Процедура, которая обращается к дескриптору TSS, может вызвать переключения задачи. В большинстве случаев поле DPL дескрипторов сегментов TSS должно содержать 00, поэтому переключение задач могут проводить только привилегированные программы (на нулевом уровне).
Сегмент TSS не является ни сегментом кода, ни сегментом данных. Доступ к нему имеет только процессор, но не задача, даже на нулевом уровне! Если предполагается программно использовать сегмент TSS, то следует применить альтернативное именование.
Обращение к дескриптору TSS не предоставляет возможность процедуре считать или модифицировать сегмент TSS. Загрузка селектора дескриптора TSS в сегментный регистр вызывает особый случай. Доступ к сегменту TSS возможен только с помощью альтернативного именования, когда сегмент данных отображен на ту же область памяти.
Сегмент состояния задачи TSS (рис. 7.11) включает в себя содержимое всех пользовательских регистров процессора, причем 8 регистров общего назначения хранятся в сегменте в том же порядке, в каком они помещаются в стек командой pushad. Кроме того, в TSS сохраняются значения трех указателей стека SSi: ESP/ для трех уровней привилегий— /е{0,1,2}. Сохранение в TSS регистров CS и EIP позволяет осуществлять рестарт задачи, при этом гарантируется правильное действие команд условных переходов, т. к. в TSS сохраняется и EFLAGS. Сохранение в TSS содержимого регистров CR3 и LDTR позволяет для каждой задачи образовывать свой каталог разделов и локальную дескрипторную таблицу.
В сегменте TSS имеется также несколько дополнительных полей. Поле обратной связи содержит селектор TSS той задачи, которая выполнялась перед данной; с его помощью можно организовать цепь вложенных задач. Поле базы двоичной карты разрешения ввода/вывода (БДКВВ) содержит 16-битовое смещение в данном сегменте TSS, с которого начинается сама двоичная карта ввода/вывода. Эта карта позволяет определить произвольное подмножество адресов в пространстве ввода/вывода, по которым данной задаче разрешено обращаться независимо от уровня привилегий. Если в этом поле — 00h, то карта отсутствует. Бит ловушки Т применяется для отладки: когда в TSS Т = 1, при переключении на данную задачу генерируется особый случай отладки (прерывание 1).
При переключении задач между ними не передается никакой информации, т. е. они максимально изолированы друг от друга. Этим исключается искажения задач и обеспечивается возможность прекращения и запуска любой задачи в любой момент времени и в любом порядке.
С целью экономии времени на процедуру переключения задач все поля TSS разделяются на "статические" и "динамические". К статическим относятся поля указателей стека трех уровней и содержимое регистра LDTR — они остаются неизменными в течение всего времени существования задачи. Содержимое статических полей TSS определяется ОС при создании задачи. Статические поля процессор только считывает при переключении задачи. Поля регистров и поле обратной связи модифицируются при каждом переключении задачи.
До перехода в мультипрограммный режим необходимо определить дескрипторы TSS, разместить сами сегменты TSS в адресном пространстве и правильно инициировать их. Напомним, что селекторы TSS нельзя загружать в сегментные регистры, поэтому для работы с TSS следует пользоваться аль тернативным именованием, т. е. псевдонимами этих сегментов. При загрузке начальных значений полей TSS в CS : EIP указывают точку старта программы (задачи), а в регистр SS — селектор сегмента стека с правильным уровнем привилегий. Если предполагается работа задачи на разных уровнях привилегий, следует инициализировать поля SS/: ESP/, а если задача рассчитана на использование локальной дескрипторной таблицы и страничного преобразования, в сегменте TSS потребуется инициировать поля LDTR и CR3.
В сегменте TSS отсутствуют поля для регистров CR0 и CR2, следовательно, их значение не изменяется при переключениях задач. Поэтому страничное преобразование и условия работы с устройством "плавающей арифметики" (определяются полями CR0 и CR2) являются глобальными для всех задач. Для каждой задачи может быть свой каталог разделов, но страничное преобразование может быть разрешено или запрещено только для всей системы. Переключение задач не затрагивает регистры GDTR и IDTR, а также регистры отладки и проверки.
Минимальный размер сегмента TSS должен быть 104 байта (68h). Однако пользователь может увеличить размер сегмента TSS для размещения дополнительной информации, например, состояние устройства регистров сопроцессора "плавающей арифметики" FPU, списка открытых файлов, двоичной карты ввода/вывода и др. Однако когда процессор привлекает TSS для переключения задач, он игнорирует все данные сверх аппаратно поддерживаемых 104 байтами, и эту дополнительную информацию из TSS считывают программно.
7.2.2. Переключение задачи
Переключение задачи в *86 могут вызвать следующие четыре события:
□ старая задача выполняет команду far call или far jmp, и селектор выбирает шлюз задачи;
О старая задача выполняет команду far call или far jmp, и селектор выбирает дескриптор TSS;
□ старая задача выполняет команду iret для возврата в предыдущую задачу; эта команда приводит к переключению задачи, если в регистре EFLAGS бит вложенной задачи NT = 1;
П возникло аппаратное или программное прерывание и соответствующий элемент дескрипторной таблицы прерываний IDT содержит шлюз задачи.
Под термином "старая задача" ("выходящая задача") будем понимать ту задачу, выполнение которой прекращается; под термином "новая задача" ("входящая задача") будем понимать ту задачу, которую начинает выполнять процессор.
Таким образом, селекторами в командах переходов и вызовов могут быть как селекторы TSS (прямое переключение задачи), так и селекторы шлюзов задачи (косвенное переключение задачи). В последнем случае дескриптор шлюза задачи обязательно содержит селектор TSS. Формат дескриптора шлюза задачи приведен на рис. 7.12.
(CPL, RPL) > DPL шлюза задачи:
□ max(CPL, RPL) > DPL сегмента TSS.
Процедура Старая задача должна быть достаточно привилегированна для доступа к шлюзу задачи или к сегменту TSS. Правила привилегий обычные:
□ max возврата из прерываний IRET всегда возвращает управление прерванной программе. Если флаг NT сброшен в 0, производится обычный возврат, а если он установлен в 1 — происходит переключение задачи. При этом процессор сохраняет свое состояние в сегменте TSS старой задачи, загружает в регистр TR содержимое поля обратной связи — селектор новой задачи ("задачи-предка", т. к. осуществляется возврат) и восстанавливает из сегмента TSS контекст новой задачи. Благодаря наличию в каждом сегменте TSS поля обратной связи можно поддерживать многократные вложения задач. Характерно, что команда возврата из подпрограммы ret не чувствительна к значению флага NT и не может осуществить переключение задачи.
После модификации TR и загрузки нового контекста из сегмента TSS процессор отмечает этот сегмент как занятый (устанавливает бит 41 занятости Busy в его дескрипторе). Занятый TSS может относиться либо к выполняющейся, либо ко вложенной задаче. Переключение на задачу, отмеченную как занятая, не производится! В частности, это исключает возможность реализации реентерабельных задач. Исключение представляет только команда iret, которая возвращает управление задаче-предку (очевидно, будучи вложенной, она отмечена как запятая).
При переключении задачи процессор устанавливает также флаг переключения задачи TS в регистре CR0. Сброс этого флага может осуществиться только привилегированной командой clts. TS применяется для правильного использования некоторых системных ресурсов, в частности — устройства плавающей арифметики (Float Point Unit, FPU). Если при каждом переключении задачи сохранять состояние FPU, то на это уйдет много времени, причем новая задача может вообще не использовать ресурсы FPU, и тогда такое сохранение окажется напрасным. В процессоре 80486 команды FPU анализируют состояние флага TS и если TS = 1, формируется особый случай 7 и вызывается системная процедура сохранения состояния FPU. После этого флаг TS сбрасывается.
При переключении задачи процессор не фиксирует факт использования новой задачей FPU. Очевидно, это забота обработчика прерывания 7 — сам обработчик или ОС может поддерживать в TSS флаг использования сопроцессора. Кроме того, обработчик прерывания 7 может запоминать селектор TSS последней программы, использующей FPU.
Итак, процесс переключения задачи можно представить следующим образом. Имеется TR с теневым регистром дескриптора TSS, определяющий TSS старой задачи. Если селектор в командах far jmp, far call, iret (NT = 1), int указывает прямо (дескриптор TSS) или косвенно (шлюз задачи) в GDT на системный объект переключения задачи, то производится переключение задачи:
□ процессор сохраняет контекст старой задачи в сегменте TSS старой задачи;
П процессор загружает в TR селектор сегмента новой задачи;
□ процессор загружает в сегмент TSS новой задачи селектор TSS старой задачи (в поле обратной связи);
□ получив доступ к сегменту TSS новой задачи, процессор загружает контекст новой задачи в регистры (в том числе CS : EIP — точка старта);
□ процессор устанавливает флаги NT (в регистре EFLAGS) и TS (в CR0 для ; анализа командами FPU), устанавливает бит занятости задачи в дескрипторе TSS новой задачи.
7.3. Прерывания и особые случаи
Прерывания текущей программы могут возникать по следующим трем причинам:
□ внешний сигнал по входам INTR или NMI;
□ аномальная ситуация, сложившаяся при выполнении конкретной команды и зафиксированная аппаратурой контроля;
□ находящаяся в программе команда прерывания int л.
Первая из указанных выше причин относится к аппаратным прерываниям, а две другие — к программным.
Программные прерывания, вызываемые причинами 2 и 3, называют обычно особыми случаями (иногда используют термин исключения). Особые случаи возникают, например, при нарушении защиты по привилегиям, превышении предела сегмента, делении на ноль и т. д.
Все особые случаи классифицируются как нарушения, ловушки или аварии.
Нарушение (fault)— этот особый случай процессор может обнаружить до возникновения фактической ошибки (например, нарушение правил привилегий или отсутствие сегмента в оперативной памяти). Очевидно, после обработки нарушения можно продолжить программу, осуществив рестарт виновной команды.
Ловушка (trap)— обнаруживается после окончания выполнения виновной команды. После ее обработки процессор возобновляет действия с той команды, которая следует за "захваченной" (например, прерывание при переполнении или команда int л). Большинство отладочных контрольных точек также интерпретируются как ловушки.
Авария (abort) — приводит к потере контекста программы, ее продолжение невозможно. Причину аварии установить нельзя, поэтому осуществить рестарт программы не удается, ее необходимо прекратить. К авариям ("выходам из процесса") относятся аппаратные ошибки, а также несовместимые или недопустимые значения в системных таблицах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
