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Modo protegido

En informática, el modo protegido , también llamado modo de dirección virtual protegida , [ 1 ] es un modo operativo de las unidades centrales de procesamiento (CPU) compatibles...

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En informática, el modo protegido , también llamado modo de dirección virtual protegida , [ 1 ] es un modo operativo de las unidades centrales de procesamiento (CPU) compatibles con x86 . Permite que el software del sistema utilice características como la segmentación , la memoria virtual , la paginación y la multitarea segura , diseñadas para aumentar el control del sistema operativo sobre el software de aplicación . [ 2 ] [ 3 ]

Cuando se enciende un procesador que admite el modo protegido x86, comienza a ejecutar instrucciones en modo real para mantener la compatibilidad con versiones anteriores de procesadores x86. [ 4 ] El modo protegido solo se puede activar después de que el software del sistema configure una tabla de descriptores y habilite el bit de Habilitación de Protección (PE) en el registro de control 0 (CR0). [ 5 ]

El modo protegido se agregó por primera vez a la arquitectura x86 en 1982, [ 6 ] con el lanzamiento del procesador 80286 (286) de Intel , y posteriormente se extendió con el lanzamiento del 80386 (386) en 1985. [ 7 ] Debido a las mejoras añadidas por el modo protegido, se ha adoptado ampliamente y se ha convertido en la base de todas las mejoras posteriores a la arquitectura x86 (IA-32), [ 8 ] aunque muchas de esas mejoras, como las instrucciones añadidas y los nuevos registros, también aportaron beneficios al modo real.

Historia

El primer procesador x86, el Intel 8086 , tenía un bus de direcciones de 20 bits para su memoria , al igual que su variante Intel 8088. [ 9 ] Esto les permitía acceder a 2²⁰ bytes de memoria, equivalente a 1 megabyte . [ 9 ] En ese momento, 1 megabyte se consideraba una cantidad de memoria relativamente grande, [ 10 ] por lo que los diseñadores de la IBM Personal Computer reservaron los primeros 640 kilobytes para el uso de las aplicaciones y el sistema operativo, y los 384 kilobytes restantes para la BIOS (Sistema Básico de Entrada/Salida) y la memoria para dispositivos adicionales . [ 11 ]

A medida que disminuía el costo de la memoria y aumentaba su uso, la limitación de 1 MB se convirtió en un problema importante. Intel pretendía solucionar esta limitación, junto con otras, con el lanzamiento del 286. [ 11 ]

El 286

El modo protegido inicial, lanzado con el 286, no fue ampliamente utilizado; [ 11 ] por ejemplo, fue utilizado por Coherent (desde 1982), [ 12 ] Microsoft Xenix (alrededor de 1984) [ 13 ] y Minix . [ 14 ] Varias deficiencias, como la incapacidad de realizar llamadas a BIOS y DOS debido a la imposibilidad de volver al modo real sin reiniciar el procesador, impidieron su uso generalizado. [ 15 ] La aceptación se vio obstaculizada además por el hecho de que el 286 permitía el acceso a la memoria en segmentos de 64 kilobytes , direccionados por sus cuatro registros de segmento, lo que significa que solo se podía acceder a 4 × 64 KB , equivalente a 256 KB, a la vez. [ 11 ] Debido a que cambiar un registro de segmento en modo protegido provocaba que se cargara un descriptor de segmento de 6 bytes en la CPU desde la memoria, la instrucción de carga del registro de segmento tomaba muchas decenas de ciclos del procesador, lo que la hacía mucho más lenta que en el 8086 y el 8088; por lo tanto, la estrategia de calcular direcciones de segmento sobre la marcha para acceder a estructuras de datos mayores de 128 kilobytes (el tamaño combinado de los dos segmentos de datos) se volvió poco práctica, incluso para aquellos pocos programadores que la habían dominado en el 8086 y el 8088.   

El 286 mantuvo la retrocompatibilidad con el 8086 y el 8088 al entrar inicialmente en modo real al encenderse. [ 4 ] El modo real funcionaba prácticamente de forma idéntica al 8086 y al 8088, lo que permitía que la gran mayoría del software existente para esos procesadores se ejecutara sin modificaciones en el nuevo 286. El modo real también servía como un modo más básico para configurar e iniciar el modo protegido. Para acceder a la funcionalidad extendida del 286, el sistema operativo configuraba algunas tablas en la memoria que controlaban el acceso a la memoria en modo protegido, establecía las direcciones de esas tablas en algunos registros especiales del procesador y luego configuraba el procesador en modo protegido. Esto habilitaba el direccionamiento de 24 bits, lo que permitía al procesador acceder a 2²⁴ bytes  de memoria, equivalentes a 16 megabytes . [ 9 ] 

El 386

Un microprocesador Intel 80386

Con el lanzamiento del 386 en 1985, [ 7 ] se abordaron muchos de los problemas que impedían la adopción generalizada del modo protegido anterior. [ 11 ] El 386 se lanzó con un tamaño de bus de direcciones de 32 bits, lo que permite el acceso a 2³² bytes de memoria, equivalente a 4 gigabytes . [ 16 ] Los tamaños de segmento también se incrementaron a 32 bits, lo que significa que se podía acceder al espacio de direcciones completo de 4 gigabytes sin necesidad de cambiar entre múltiples segmentos. [ 16 ] Además del aumento del tamaño del bus de direcciones y los registros de segmento, se agregaron muchas otras características nuevas con la intención de aumentar la seguridad y la estabilidad operativa. [ 17 ] El modo protegido se utiliza ahora en prácticamente todos los sistemas operativos modernos que se ejecutan en la arquitectura x86, como Microsoft Windows , Linux y muchos otros. [ 18 ]

Además, aprendiendo de los fallos del modo protegido del 286 para satisfacer las necesidades de las aplicaciones multitarea de DOS, Intel añadió un modo virtual 8086 independiente , [ 19 ] que permitía emular varios procesadores 8086 virtualizados en el 386. Sin embargo, la virtualización de hardware x86 necesaria para virtualizar el propio modo protegido tuvo que esperar otros 20 años. [ 20 ]

386 adiciones al modo protegido

Con el lanzamiento del 386, se agregaron las siguientes características adicionales al modo protegido: [ 2 ]

Entrada y salida del modo protegido

Hasta el lanzamiento del 386, el modo protegido no ofrecía un método directo para volver al modo real una vez activado. IBM ideó una solución alternativa (implementada en el IBM AT ) que consistía en reiniciar la CPU mediante el controlador del teclado y guardar los registros del sistema, el puntero de pila y, a menudo, la máscara de interrupción en la RAM del chip del reloj en tiempo real. Esto permitía a la BIOS restaurar la CPU a un estado similar y comenzar a ejecutar el código anterior al reinicio. Posteriormente, se utilizó un fallo triple para reiniciar la CPU del 286, lo que resultó mucho más rápido y eficiente que el método del controlador del teclado.

Para entrar en modo protegido, primero se debe crear la Tabla de Descriptores Globales (GDT) con un mínimo de tres entradas: un descriptor nulo, un descriptor de segmento de código y un descriptor de segmento de datos. Luego, se debe establecer el bit PE en el registro CR0 y se debe realizar un salto lejano para borrar la cola de entrada de precarga . [ 22 ] [ 23 ] Además, en una máquina compatible con IBM, para permitir que la CPU acceda a los 16 MB del espacio de direcciones (en lugar de solo los 8 megabytes pares), se debe habilitar la línea A20 (la línea de dirección número 21). (A20 está deshabilitada al encender, lo que hace que cada megabyte impar del espacio de direcciones se asigne al megabyte par anterior, para garantizar la compatibilidad con el software antiguo escrito para los modelos IBM PC y PC/XT basados ​​en Intel 8088). [ 24 ] Habilitar A20 no es estrictamente necesario para ejecutar en modo protegido; la CPU funcionará normalmente en modo protegido con A20 deshabilitada, solo que sin la capacidad de acceder a la mitad de las direcciones de memoria.

; Programa MASM ; entrar en modo protegido (establecer bit PE) mov EBX , CR0 ; guardar el registro de control 0 (CR0) en EBX o EBX , PE_BIT ; establecer bit PE mediante OR, guardar en EBX mov CR0 , EBX ; guardar EBX de nuevo en CR0; limpiar la cola de precarga; (usando la instrucción de salto lejano jmp) jmp CLEAR_LABEL CLEAR_LABEL:

Con el lanzamiento del 386, se podía salir del modo protegido cargando los registros de segmento con valores de modo real, deshabilitando la línea A20 y borrando el bit PE en el registro CR0, sin necesidad de realizar los pasos de configuración inicial requeridos con el 286. [ 25 ]

Características

El modo protegido cuenta con varias características diseñadas para mejorar el control del sistema operativo sobre el software de aplicación, con el fin de aumentar la seguridad y la estabilidad del sistema. [ 3 ] Estas adiciones permiten que el sistema operativo funcione de una manera que sería significativamente más difícil o incluso imposible sin el soporte de hardware adecuado. [ 26 ]

Niveles de privilegio

Ejemplo de uso del anillo de privilegios en un sistema operativo que utiliza todos los anillos.

En el modo protegido, existen cuatro niveles de privilegio o anillos , numerados del 0 al 3, siendo el anillo 0 el de mayor privilegio y el 3 el de menor. El uso de anillos permite que el software del sistema restrinja el acceso de las tareas a los datos, las compuertas de llamada o la ejecución de instrucciones privilegiadas. [ 27 ] En la mayoría de los entornos, el sistema operativo y algunos controladores de dispositivos se ejecutan en el anillo 0 y las aplicaciones en el anillo 3. [ 27 ]

Compatibilidad con aplicaciones en modo real

Según el Manual de referencia del programador Intel 80286 , [ 28 ]

El microcontrolador 80286 mantiene la compatibilidad con la mayoría de los programas de aplicación de los microcontroladores 8086 y 80186. La mayoría de los programas de aplicación del 8086 se pueden recompilar o reensamblar y ejecutar en el 80286 en modo protegido.

En general, la compatibilidad binaria con el código en modo real, la capacidad de acceder hasta a 16 MB de memoria física y 1 GB de memoria virtual fueron los cambios más evidentes para los programadores de aplicaciones. [ 29 ] Esto no estuvo exento de limitaciones. Si una aplicación utilizaba o dependía de alguna de las técnicas que se describen a continuación, no se ejecutaría: [ 30 ]

  • aritmética de segmentos
  • Instrucciones privilegiadas
  • Acceso directo al hardware
  • Escribir en un segmento de código
  • Ejecutando datos
  • Segmentos superpuestos
  • Uso de las funciones del BIOS, debido a que las interrupciones del BIOS están reservadas por Intel [ 31 ].

En realidad, casi todos los programas de aplicación de DOS violaban estas reglas. [ 32 ] Debido a estas limitaciones, se introdujo el modo virtual 8086 con el 386. A pesar de estos posibles contratiempos, Windows 3.0 y sus sucesores pueden aprovechar la compatibilidad binaria con el modo real para ejecutar muchas aplicaciones de Windows 2.x ( Windows 2.0 y Windows 2.1x ) en modo protegido, que se ejecutaban en modo real en Windows 2.x. [ 33 ]

Modo virtual 8086

Con el lanzamiento del 386, el modo protegido ofrece lo que los manuales de Intel denominan modo virtual 8086. El modo virtual 8086 está diseñado para permitir que el código escrito previamente para el 8086 se ejecute sin modificaciones y simultáneamente con otras tareas, sin comprometer la seguridad ni la estabilidad del sistema. [ 34 ]

Sin embargo, el modo virtual 8086 no es completamente compatible con versiones anteriores de todos los programas. Los programas que requieren manipulación de segmentos, instrucciones privilegiadas, acceso directo al hardware o que utilizan código automodificable generarán una excepción que deberá ser gestionada por el sistema operativo. [ 35 ] Además, las aplicaciones que se ejecutan en modo virtual 8086 generan una interrupción al utilizar instrucciones que implican entrada/salida (E/S), lo que puede afectar negativamente al rendimiento. [ 36 ]

Debido a estas limitaciones, algunos programas diseñados originalmente para ejecutarse en el 8086 no pueden ejecutarse en modo virtual 8086. Como resultado, el software del sistema se ve obligado a sacrificar la seguridad del sistema o la compatibilidad con versiones anteriores al trabajar con software heredado . Un ejemplo de este sacrificio se observa en el lanzamiento de Windows NT , que eliminó la compatibilidad con versiones anteriores para aplicaciones de DOS con comportamientos problemáticos. [ 37 ]

Segmentación de direcciones

Segmentos virtuales de 80286

Modo real

En modo real, cada dirección lógica apunta directamente a una ubicación de memoria física. Cada dirección lógica consta de dos partes de 16 bits  : la parte de segmento de la dirección lógica contiene la dirección base de un segmento con una granularidad de 16 bytes, es decir, un segmento puede comenzar en la dirección física 0, 16, 32, ..., 2²⁰  −  16. La parte de desplazamiento de la dirección lógica contiene un desplazamiento dentro del segmento, es decir, la dirección física se puede calcular como dirección_física = parte_segmento × 16 + desplazamiento, si la línea de dirección A20 está habilitada, o (parte_segmento × 16 + desplazamiento) mod 2²⁰ , si A20 está desactivada. Cada segmento tiene un tamaño de 2¹⁶  bytes.

Modo protegido

En modo protegido, la parte del segmento se reemplaza por un selector de 16 bits , donde los 13 bits superiores (del 3 al 15) contienen el índice de una entrada dentro de una tabla de descriptores . El siguiente bit (el 2) especifica si la operación se utiliza con la GDT o la LDT. Los dos bits menos significativos (el 1 y el 0) del selector se combinan para definir el privilegio de la solicitud, donde los valores 0 y 3 representan el privilegio más alto y el más bajo, respectivamente. Esto significa que el desplazamiento de bytes de los descriptores en la tabla de descriptores es el mismo que el del selector de 16 bits, siempre que los tres bits menos significativos sean cero.

La entrada de la tabla de descriptores define la dirección lineal real del segmento, un valor límite para el tamaño del segmento y algunos bits de atributo (indicadores).

286

La dirección del segmento en la entrada de la tabla de descriptores tiene una longitud de 24 bits, por lo que cada byte de la memoria física puede definirse como el límite del segmento. El valor límite en la entrada de la tabla de descriptores tiene una longitud de 16 bits, por lo que la longitud del segmento puede estar entre 1 byte y 2,16 bytes . La dirección lineal calculada es igual a la dirección de la memoria física.

386

La dirección del segmento dentro de la entrada de la tabla de descriptores se expande a 32 bits para que cada byte de la memoria física pueda definirse como el límite del segmento. El valor límite dentro de la entrada de la tabla de descriptores se expande a 20 bits y se completa con un indicador de granularidad (bit G, para abreviar):

  • Si el bit G es cero, el límite tiene una granularidad de 1 byte, es decir, el tamaño del segmento puede ser de 1, 2, ..., 2 20 bytes.
  • Si G-bit es un límite, tiene una granularidad de 2¹² bytes , es decir, el tamaño del segmento puede ser 1 × 2¹² , 2 × 2¹² , ..., 2²⁰ × 2¹² bytes. Si la paginación está desactivada, la dirección lineal calculada es igual a la dirección de memoria física. Si la paginación está activada, la dirección lineal calculada se utiliza como entrada para la paginación.

El procesador 386 también utiliza valores de 32 bits para el desplazamiento de la dirección.

Para mantener la compatibilidad con el modo protegido 286, se añadió un nuevo indicador predeterminado (bit D). Si el bit D de un segmento de código está desactivado (0), todos los comandos dentro de este segmento se interpretarán como comandos de 16 bits por defecto; si está activado (1), se interpretarán como comandos de 32 bits.

Estructura de la entrada del descriptor de segmento

Dónde:

  • A es el bit al que se accede ;
  • R es el bit legible ;
  • C (bit 42) depende de X : [ 38 ]
    • Si X = 1, entonces C es el bit Conforme y determina qué niveles de privilegio pueden saltar a este segmento (sin cambiar el nivel de privilegio):
      • Si C = 0, entonces solo el código con el mismo nivel de privilegio que DPL puede saltar aquí;
      • Si C = 1, entonces el código con el mismo nivel de privilegio o uno inferior en relación con DPL puede saltar aquí.
    • Si X = 0, entonces C es el bit de dirección :
      • Si C = 0, entonces el segmento crece hacia arriba ;
      • Si C = 1, entonces el segmento crece hacia abajo .
  • X es el bit ejecutable : [ 38 ]
    • Si X = 1, entonces el segmento es un segmento de código;
    • Si X = 0, entonces el segmento es un segmento de datos.
  • S es el bit de tipo de segmento , que generalmente debe estar desactivado para los segmentos del sistema; [ 38 ]
  • DPL es el Nivel de Privilegio del Descriptor ;
  • P es el bit de Presente ;
  • D es el tamaño de operando predeterminado ;
  • G es el bit de granularidad ;
  • El bit 52 del descriptor 80386 no es utilizado por el hardware.

Paginación

Método común para usar la paginación para crear un espacio de direcciones virtuales
Paginación (en Intel 80386) con un tamaño de página de 4K.

Además de agregar el modo virtual 8086, el 386 también agregó paginación al modo protegido. [ 39 ] Mediante la paginación, el software del sistema puede restringir y controlar el acceso de una tarea a las páginas, que son secciones de memoria. En muchos sistemas operativos, la paginación se utiliza para crear un espacio de direcciones virtuales independiente para cada tarea, impidiendo que una tarea manipule la memoria de otra. La paginación también permite mover páginas del almacenamiento primario a un almacenamiento secundario más lento y de mayor capacidad , como un disco duro . [ 40 ] Esto permite utilizar más memoria de la que está físicamente disponible en el almacenamiento primario. [ 40 ]

La arquitectura x86 permite el control de páginas mediante dos matrices : directorios de páginas y tablas de páginas . Originalmente, un directorio de páginas tenía el tamaño de una página, cuatro kilobytes, y contenía 1024 entradas de directorio de páginas (PDE), aunque las mejoras posteriores a la arquitectura x86 añadieron la capacidad de usar páginas de mayor tamaño. Cada PDE contenía un puntero a una tabla de páginas. Una tabla de páginas también tenía originalmente un tamaño de cuatro kilobytes y contenía 1024 entradas de tabla de páginas (PTE). Cada PTE contenía un puntero a la dirección física de la página real y solo se utiliza cuando se usan páginas de cuatro kilobytes. En un momento dado, solo un directorio de páginas puede estar en uso activo. [ 41 ]

Multitarea

Mediante el uso de los anillos, las puertas de llamada privilegiadas y el Segmento de Estado de Tarea (TSS), introducidos con el 286, se hizo posible la multitarea preventiva en la arquitectura x86. El TSS permite modificar los registros de propósito general, los campos selectores de segmento y las pilas sin afectar a los de otra tarea. Además, el TSS permite que el nivel de privilegio y los permisos de los puertos de E/S de una tarea sean independientes de los de otra.

En muchos sistemas operativos, no se utilizan todas las funciones del TSS. [ 42 ] Esto se debe comúnmente a problemas de portabilidad o a los problemas de rendimiento que generan los conmutadores de tareas de hardware. [ 42 ] Como resultado, muchos sistemas operativos utilizan tanto hardware como software para crear un sistema multitarea. [ 43 ]

Sistemas operativos

Los sistemas operativos como OS/2 1.x intentan alternar el procesador entre los modos protegido y real. Esto es lento e inseguro, ya que un programa en modo real puede provocar fácilmente el bloqueo del ordenador. OS/2 1.x define reglas de programación restrictivas que permiten que una API de familia o un programa vinculado se ejecute tanto en modo real como en modo protegido. Algunos sistemas operativos Unix antiguos , OS/2  1.x y Windows utilizaban este modo.

Windows 3.0 podía ejecutar programas en modo real en modo protegido de 16 bits; al cambiar a modo protegido, decidía conservar el modelo de nivel de privilegio único que se usaba en modo real, razón por la cual las aplicaciones y DLL de Windows pueden interceptar interrupciones y realizar acceso directo al hardware. Esto se mantuvo durante la serie Windows 9x . Si un programa de Windows 1.x o 2.x está bien escrito y evita la aritmética de segmentos, se ejecutará de la misma manera tanto en modo real como en modo protegido. Los programas de Windows generalmente evitan la aritmética de segmentos porque Windows implementa un esquema de memoria virtual por software, moviendo el código y los datos del programa en la memoria cuando los programas no se están ejecutando, por lo que manipular direcciones absolutas es peligroso; los programas solo deben conservar identificadores de bloques de memoria cuando no se estén ejecutando. Iniciar un programa antiguo mientras Windows  3.0 se ejecuta en modo protegido activa un cuadro de diálogo de advertencia, que sugiere ejecutar Windows en modo real u obtener una versión actualizada de la aplicación. Actualizar programas que se comportan correctamente mediante la utilidad MARK con el parámetro MEMORY evita este cuadro de diálogo. No es posible tener algunos programas con interfaz gráfica de usuario (GUI) ejecutándose en modo protegido de 16 bits y otros en modo real. En Windows 3.1 , el modo real dejó de ser compatible y no se podía acceder a él.

En los sistemas operativos modernos de 32 bits, el modo virtual 8086 todavía se utiliza para ejecutar aplicaciones, por ejemplo, programas extensores de DOS compatibles con DPMI (a través de máquinas virtuales de DOS ) o aplicaciones de Windows 3.x (a través del subsistema Windows on Windows ) y ciertas clases de controladores de dispositivos (por ejemplo, para cambiar la resolución de pantalla mediante la funcionalidad del BIOS) en OS/2 2.0 (y versiones posteriores de OS/2) y Windows NT de 32 bits , todo bajo el control de un núcleo de 32 bits. Sin embargo, los sistemas operativos de 64 bits (que se ejecutan en modo largo ) ya no lo utilizan, puesto que el modo virtual 8086 se ha eliminado del modo largo. 

Véase también

Referencias

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  3. 1 2 root (14 de julio de 2007). "Guía: ¿Qué significa el modo protegido?" (Guía) . Delorie Software . Archivado del original el 3 de julio de 2023. Recuperado el 14 de julio de 2007. El propósito del modo protegido no es proteger su programa. El propósito es proteger a todos los demás (incluido el sistema operativo) de su programa.
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  43. ↑ zwanderer (2 de mayo de 2004). "noticias: Explicación de la multitarea para x86 #1" . NewOrer . NewOrder. Archivado del original (Artículo) el 12 de febrero de 2007. Recuperado el 29 de julio de 2007. ... ambos dependen de la capacidad de los procesadores Intel para cambiar de tarea, pero lo hacen de maneras diferentes. 
  • Conceptos básicos del modo protegido
  • Introducción al modo protegido
  • Descripción general del funcionamiento en modo protegido de la arquitectura Intel.
  • Descripción general y tutorial del modo protegido
  • Tutorial sobre el modo protegido de Code Project