Дескриптор сегмента¶

Дескриптор сегмента — это структура данных, используемая в архитектурах x86 (начиная с Intel 80286) и x86-64 для описания сегмента памяти. Дескриптор определяет базовый адрес, размер, тип доступа и права на сегмент, обеспечивая механизм сегментации памяти. В отличие от простого сегментирования, где адрес вычисляется из сегментного регистра и смещения, дескрипторная модель позволяет операционной системе контролировать доступ к памяти на уровне отдельных сегментов, поддерживая многозадачность и защиту.

¶История

Концепция дескрипторов сегментов возникла в рамках развития архитектуры x86, когда процессоры Intel перешли от 16-битного режима реального адреса (Real Mode) к 32-битному защищённому режиму (Protected Mode). В реальном режиме сегментный регистр хранил 16-битный адрес, который сдвигался на 4 бита влево и складывался с 16-битным смещением, давая 20-битный физический адрес. Это не обеспечивало никакой защиты памяти.

В 1982 году процессор Intel 80286 ввёл защищённый режим, где сегментные регистры стали указывать на дескрипторы, хранящиеся в таблицах дескрипторов. Это позволило задавать 24-битные базовые адреса и 16-битные лимиты, а также уровни привилегий. С появлением 32-битных процессоров (Intel 80386) дескрипторы были расширены до 32-битных базовых адресов и 20-битных лимитов, а также добавлены биты гранулярности (4 КБ или 1 байт).

В архитектуре x86-64 (AMD64, Intel 64) сегментация в длинном режиме (Long Mode) практически не используется для адресации памяти, но дескрипторы сегментов остаются необходимыми для управления сегментными регистрами (CS, SS, DS, ES, FS, GS) и определения их атрибутов (например, кольца привилегий).

¶Структура дескриптора сегмента

В архитектуре x86 дескриптор сегмента занимает 8 байт (64 бита) и имеет следующую структуру:

Поле	Размер (бит)	Описание
Base (15:0)	16	Младшие 16 бит базового адреса
Base (23:16)	8	Следующие 8 бит базового адреса
Base (31:24)	8	Старшие 8 бит базового адреса
Limit (15:0)	16	Младшие 16 бит лимита
Limit (19:16)	4	Старшие 4 бита лимита
Type	4	Тип сегмента (код, данные, системный)
S	1	Дескриптор системы (0 — системный, 1 — код/данные)
DPL	2	Уровень привилегий (0 — наивысший, 3 — наименьший)
P	1	Присутствие сегмента (Present)
G	1	Гранулярность (0 — 1 байт, 1 — 4 КБ)
D/B	1	Размер операнда (0 — 16 бит, 1 — 32 бита)
L	1	Длинный режим (только для x86-64)
AVL	1	Доступно для системы

Пояснения:

Base — 32-битный физический адрес начала сегмента.
Limit — 20-битный размер сегмента. При G=0 лимит задаётся в байтах (до 1 МБ), при G=1 — в блоках по 4 КБ (до 4 ГБ).
Type — определяет тип сегмента: для кода (чтение/выполнение), для данных (чтение/запись), для системных объектов (TSS, LDT, шлюзы).
S — отличает дескрипторы сегментов кода/данных (S=1) от системных дескрипторов (S=0).
DPL — уровень привилегий, определяющий, с какого кольца защиты можно обращаться к сегменту.
P — если P=0, сегмент отсутствует в памяти (вызовет исключение при попытке доступа).
G — гранулярность: при G=1 лимит умножается на 4096.
D/B — для сегментов кода задаёт размер операнда по умолчанию (16 или 32 бита), для сегментов данных — размер стека (SS).
L — устанавливается в 1 для 64-битных сегментов в длинном режиме.
AVL — зарезервировано для использования операционной системой.

¶Типы дескрипторов

¶Дескрипторы сегментов кода и данных (S=1)

Сегмент данных (Data Segment): поддерживает чтение и/или запись. Тип может быть «только чтение», «чтение/запись», «расширяющийся вниз» (для стеков).
Сегмент кода (Code Segment): поддерживает выполнение и/или чтение. Тип может быть «только выполнение», «выполнение/чтение», «подчинённый» (conforming) — разрешает выполнение с меньшим уровнем привилегий.

¶Системные дескрипторы (S=0)

TSS (Task State Segment): описывает состояние задачи (регистры, стек, ссылки на другие сегменты).
LDT (Local Descriptor Table): содержит локальные дескрипторы для конкретной задачи.
Call Gate (Шлюз вызова): позволяет переключать уровень привилегий при вызове процедуры.
Interrupt Gate (Шлюз прерывания): используется для обработки аппаратных прерываний.
Trap Gate (Шлюз ловушки): аналогичен шлюзу прерывания, но не сбрасывает флаг IF.

¶Таблицы дескрипторов

Дескрипторы хранятся в двух типах таблиц:

GDT (Global Descriptor Table): глобальная таблица дескрипторов, доступная всем задачам. Обычно содержит дескрипторы ядра ОС, TSS, LDT и шлюзы.
LDT (Local Descriptor Table): локальная таблица, создаваемая для каждой задачи (процесса). Позволяет изолировать сегменты разных процессов.

Адрес и размер GDT хранятся в регистре GDTR, а LDT — в регистре LDTR. Для доступа к сегменту процессор загружает селектор (16-битное значение) в сегментный регистр (CS, SS, DS и т.д.). Селектор содержит индекс в таблице дескрипторов, номер таблицы (GDT или LDT) и уровень привилегий (RPL).

¶Использование в защищённом режиме

В защищённом режиме (32-битном) каждый сегментный регистр (CS, SS, DS, ES, FS, GS) содержит селектор, который ссылается на дескриптор. При загрузке селектора процессор извлекает дескриптор из GDT или LDT и кэширует его в теневом регистре (shadow register). Последующие обращения к памяти проверяются по закэшированным атрибутам: базовый адрес, лимит, права доступа и уровень привилегий.

Например, при попытке записи в сегмент данных с типом «только чтение» процессор генерирует исключение (General Protection Fault). Это обеспечивает защиту памяти между задачами и ядром ОС.

¶Использование в длинном режиме (x86-64)

В 64-битном длинном режиме сегментация для адресации памяти отключена: все сегментные регистры, кроме FS и GS, имеют фиксированный базовый адрес 0. Однако дескрипторы сегментов всё ещё используются для:

Определения уровня привилегий (кольца защиты) через сегмент кода (CS).
Настройки сегментов данных (DS, ES, SS) — их атрибуты (DPL, тип) влияют на проверки доступа.
Регистров FS и GS: их базовые адреса могут быть заданы через Model-Specific Registers (MSR) для поддержки локальной памяти потоков (Thread-Local Storage, TLS).

В длинном режиме дескрипторы сегментов кода и данных имеют 64-битную структуру, но лимит игнорируется (считается равным 2^64 - 1). Бит L (Long mode) в дескрипторе кода указывает, что сегмент работает в 64-битном режиме.

¶Примеры дескрипторов