Sistemas Operacionais - Conceitos
Quando a Intel projetou o x86 pela primeira vez, tinha a ideia de que cada item de memória estaria em um segmento de memória. Cada segmento era um pequeno pedaço de memória de um tamanho específico. Cada segmento serviria a um propósito diferente.
- O segmento de código (CS) seria usado para armazenar código executável.
- O segmento padrão (DS)* seria usado para armazenar dados.
- O segmento de pilha (SS) conteria informações de pilha.
- O segmento estendido (ES) seria usado para qualquer programador pretendido.
Posteriormente ao conjunto de registradores de segmentos foram acrescentados os registradores FS e GS. Estes não têm um propósito definido pelo processador, mas o programador pode escolher o que usá-los para si mesmo. No final, as CPUs x86 modernas têm os seguintes seletores de segmento: CS, DS, SS, ES, FS, GS.
A menos que você tenha habilitado a paginação em sua CPU, seu processador está operando no modo de segmentação.
A CPU usa esses segmentos ao executar determinadas instruções. Por exemplo:
- ao buscar a próxima instrução, a CPU usa o segmento CS para calcular o endereço físico onde a instrução pode ser encontrada;
- Ao usar a instrução mov, ele usa DS;
- Ao usar push ou pop, ele usa SS;
Como a CPU x86 começa a rodar no modo real que você provavelmente não quer usar e quer mudar para o modo de 32 bits com paginação habilitada ou modo de 64 bits (também conhecido como modo longo), precisamos alterar o modo de execução de alguma forma. Para fazer isso, precisamos configurar a CPU e executar determinadas instruções. Isso significa que precisaremos trabalhar um pouco (só um pouco) no modo real e entender como a CPU se comporta nesse modo.
A CPU base dos sistemas x86, o processador Intel 8086 (e seu irmão 8088) possuem os seguintes registradores para processamento:
Poder de endereçamento do processador 8088 (IBM-PC 5150, primeiro PC com MS-DOS 1.0)
Barramento de dados ISA (IBM-PC XT) de tamanho 8-bits para promover compatibilidade de hardware com o processador 8080.
Barramento de endereçamento de memória de 20 bits. O primeiro IBM-PC podia endereçar até 1 MB de memória:
| Operação Binária | Tamanho do Barramento de memória | Endereços possíveis | Tamanho em Bytes |
|---|---|---|---|
| 2^ | 20 bits | 1.048.576 | 1MB |
Neste modelo, teoricamente, a memória de 1MB podia ser dividia em até 16 segmentos de 64KB.
| ordem do segmento | Endereço Absoluto | Tamanho segmento |
|---|---|---|
| segmento-01 | 00000-0FFFF | 64kb |
| Segmento-02 | 10000-1FFFF | 64kb |
| Segmento-03 | 20000-2FFFF | 64kb |
| Segmento-04 | 30000-3FFFF | 64kb |
| Segmento-05 | 40000-4FFFF | 64kb |
| Segmento-06 | 50000-5FFFF | 64kb |
| Segmento-07 | 60000-6FFFF | 64kb |
| Segmento-08 | 70000-7FFFF | 64kb |
| Segmento-09 | 80000-8FFFF | 64kb |
| Segmento-10 | 90000-9FFFF | 64kb |
| Segmento-11 | A0000-AFFFF | 64kb |
| Segmento-12 | B0000-BFFFF | 64kb |
| Segmento-13 | C0000-CFFFF | 64kb |
| Segmento-14 | D0000-DFFFF | 64kb |
| Segmento-15 | E0000-EFFFF | 64kb |
| Segmento-16 | F0000-FFFFF | 64kb |
A memória pode ser organizada em segmentos de 64KB totalizando até 1MB.
Ao carregar um programa em memória, a CPU 8088 o aloca dentro de um segmento de 64kb. O segmento é dividido em 5 áreas:
| Registrador CPU | Área (assembler) | Nome | Finalidade |
|---|---|---|---|
| CS | . Text | Código | |
| . BSS | Bloco inicializado por símbolo | Variáveis não inicializadas | |
| DS | . Data | Dados | Variáveis com valores iniciais |
| . Heap | Empilhamento de variáveis dinâmicas | ||
| SS, SP e BP | . Stack | Stack ( pilha de apontamentos) | Empilhamento de ponteiros e funções |
| O registrador BP contém o endereçamento da base da pilha de apontamento (Stack); | |||
| O registrador SP contém o endereçamento do topo da pilha de apontamento (Stack); |
Como a CPU inicia no modo real, vamos primeiro falar sobre como a segmentação funciona neste modo. No modo real, a segmentação é relativamente simples. Um endereço lógico de formato A:B (onde A ∈ [CS, SS, DS, ES, FS, GS]) é usado. Este endereço lógico é então traduzido em endereço físico usando A * 10(hex) + B . Como no modo real os registradores são limitados a 16 bits para endereçamento, isso nos permite endereçar 2^16 = 64Kb de memória dentro de um único segmento.
Exemplo:
O tamanho da pilha de apontamentos STACK de um determinado processo do MS-DOS é o intervalo entre os registradores BP e SP.
Supondo BP contém o valor 3333(hex).
Supondo SP contém o valor 4444(hex)
Usando a fórmula do endereço físico no modo real **A * 10(hex) + B**, calcule o endereço físico de 20 bits na memória para o início e o fim da pilha.
O valor de BP, 3333(hex) é o *A*.
*A* = 3333(hex)
O valor de SP, 4444(hex) é o *B*
*B* = 4444(hex)
Fórmula **A * 10(hex) + B**:
3333(hex) x 10(hex) + 4444(hex)
33330(hex) + 4444(hex) = 37774(hex)
O endereço físico da pilha de apontamentos começa em 33330(hex) e termina em 37774(hex) naquele instante da execução do programa.
Destacando a porção de memória dinâmica (HEAP) e a porção de memória de apontamentos, ponteiros e funções (Stack).
Como ficaria um único programa (processo) carregado na memória:
No modo protegido, usamos a mesma forma A:B que no modo real, exceto que no modo protegido A não é um valor absoluto do segmento, mas um seletor de segmento. Seletor é um índice em uma tabela. Cada uma das entradas na tabela descreve o segmento (endereço físico, nível de proteção, etc...). O endereço físico do segmento é lido a partir da entrada da tabela (que também é conhecida como seletor de segmento) e B (também conhecido como deslocamento) é adicionado a esse endereço físico para obter o endereço físico real do local da memória.
Existem duas tabelas onde os seletores de segmento podem ser armazenados. Eles são chamados de Global Descriptor Table (também conhecido como GDT ) e Local Descriptor Table ( LDT ).
O que isso significa que antes de podermos mudar nossa CPU para o modo protegido, precisamos configurar pelo menos o GDT.
Felizmente, há uma boa chance de você nunca precisar configurar o GDT para o modo protegido, pois o x86 pode alternar para o modo protegido com a paginação habilitada diretamente do modo real.
A paginação é uma maneira diferente de acessar a memória física. Em vez de a memória ser dividida em segmentos, ela é dividida em páginas e quadros.
Quadros ou Frame é um bloco de memória física de um tamanho específico (por exemplo, 4Kb).
Página é um bloco de memória virtual do mesmo tamanho. As páginas são do mesmo tamanho que os quadros.
Neste modo o programa não acessa a memória usando o endereço físico. Em vez disso, os endereços de memória virtual são usados. Esses endereços virtuais são traduzidos em endereços físicos pela CPU. Este é um processo muito caro comparado ao acesso direto à memória e quase todas as CPUs têm circuitos adicionais para ajudar com isso. Esse circuito é chamado de MMU ou Unidade de Gerenciamento de Memória.
A imagem a seguir ilustra o processo de tradução de memória. Tenha em mente que a imagem é bastante simplificada e não representa exatamente o que acontece em uma CPU. No entanto, ilustra conceitos básicos sobre os quais construiremos quando estivermos configurando a paginação.
Para uma CPU traduzir um endereço virtual 0x5006 em um endereço físico, a CPU primeiro pega um prefixo e procura esse prefixo em sua "tabela de páginas" e descobre qual endereço físico está associado a esse prefixo. Por enquanto você pode pensar na tabela de páginas como um lugar especial na CPU. No nosso caso, o endereço físico associado à entrada da tabela de páginas 0x500 é 0x0011. A CPU então pega esse endereço (0x011) e adiciona a última parte do endereço (0x6). 0x0010 + 0x6 = 0x0016. E é assim que a CPU traduz o endereço virtual 0x5006 para o endereço físico 0x0016.
Essa abordagem pode ser estendida para tabelas de páginas de vários níveis:
Na imagem acima, os primeiros dois bytes são usados como índice em "Diretório de páginas". O byte a seguir é usado como índice na "Tabela de páginas" e o último byte é deslocado na página de memória.
Processadores x86 normalmente usam paginação de 3 ou 4 níveis com os mais recentes podendo usar até sistema de paginação de 5 níveis.