1.1 Режимы ядра и пользователя Windows

1.1 Режимы ядра и пользователя Windows

В этой книге регулярно используются термины режим ядра (kernel mode) и пользовательский режим (user mode). Перед определением этих терминов рассмотрим историю их происхождения.

Система Windows NT проектировалась, как переносимая операционная система, в которой весь код, зависимый от процессора и аппаратного обеспечения, изолирован в модуле, называемом уровнем аппаратных абстракций (hardware abstraction layer – HAL). Этот модуль рассматривается в разделе 1.3.1 далее в главе. Хотя Windows NT действительно раньше поддерживала несколько архитектур центральных процессоров, включая PowerPC и Alpha, современные версии Windows NT поддерживают только процессоры компании Intel и совместимые с ними модели (например, компании AMD). Некоторые базовые особенности архитектуры процессоров Intel рассматриваются далее в этом разделе, причем вместо описания всех возможностей архитектуры х86 затрагиваются лишь наиболее важные аспекты.

Архитектура Intel х86 поддерживает четыре режима работы: реальный[1], виртуальный х86, управления системой и защищенный.

В реальном режиме (real mode) каждый системный процесс имеет неограниченный доступ к первому мегабайту оперативной памяти. При загрузке процессор всегда запускается в реальном режиме. Процессор можно переключить в защищенный режим, установив соответствующий флаг в управляющем регистре; для обратного переключения флаг нужно сбросить. Реальный режим используется для инициализации Windows NT, однако переключение в защищенный режим происходит задолго до запуска приложений. В процессе развития семейства продуктов Windows NT роль реального режима становится все менее значимой. Как только процессор переключается в защищенный режим работы, Windows NT больше не переходит в реальный режим.

Виртуальный режим х86 (virtual х86 mode) предоставляет возможность выполнять несколько приложений реального режима, когда процессор работает в защищенном режиме. Операционная система Windows NT 4.0 поддерживает этот режим с помощью подсистемы NT Virtual DOS Machine

Рис. 1.1. Уровни привилегий архитектуры Intel х86

(NTVDM). Необходимость запуска приложений DOS под управлением Windows NT возникает все реже и реже, поэтому роль подсистемы NTVDM со временем становится все менее важной.

Защищенный режим (protected mode) представляет собой основной режим Windows NT. Он обладает четырьмя рабочими уровнями (рис. 1.1). Ha. уровне 0 (или кольце 0). который чаще всего называется режим ядра (kernel mode), доступны инструкции процессора и функции для обеспечения защиты памяти и работы с виртуальной памятью. Кроме того, на уровне 0 доступны привилегированные инструкции, например для управления регистрами процессора. Операционная система Windows NT не использует уровни (кольца) 1 и 2. Самый нижний уровень привилегий – уровень 3, или пользовательский режим (user mode). – обеспечивает наилучшую защиту, предотвращая доступ системных процессов к коду и памяти другого процесса.

Далее представлены некоторые функциональные возможности Windows NT для архитектуры х86.

Всей памятью можно управлять (выделять, считывать и записывать) посредством логических единиц, которые называются страницами. Дополни тельная информация приводится в разделе 1.3.3.6.

Каждая страница памяти имеет связанный с ней тег, который определяет возможность чтения или записи этой страницы, а также уровень привилегий, необходимых для чтения и записи. Эта возможность предназначена для защиты пользовательских процессов друг от друга и для защиты системных кода и данных от пользовательских процессов. Обратите внимание, что системный код, выполняемый в режиме ядра, не защищен от другого кода, который выполняется в режиме ядра.

? Страницы памяти, которые содержат код (в отличие от данных), могут быть отмечены как предназначенные только для чтения пользовательскими процессами и кодом на уровне ядра.

Приложения, которые выполняются в пользовательском режиме, получают доступ к службам ядра Windows NT, вызывая специальные инструкции, допускающие управляемый переход в режим ядра и обратно в пользовательский режим, как только запрос в режиме ядра будет выполнен.