Deskriptor (Prozessor)

Als Deskriptor bezeichnet man in Intel-x86-Prozessoren ab 80286 (eingeführt 1982) eine Struktur, welche ein Segment oder eine Funktion im Hauptspeicher beschreibt.

Ein Deskriptor hat eine Größe von 8 Byte und beinhaltet die Größe, die Position, die Zugriffsberechtigungen und Verwendung eines Segments. Neben Speichersegmenten gibt es auch Systemsegmente, die zum Beispiel eine Betriebssystemfunktion markieren.

Deskriptoren kommen ausschließlich im Protected Mode vor und dienen beim 80286 Prozessor dazu, Protected-Mode-fähiger Software trotz der Registerbreite von 16 Bit einen Adressraum von 24 Bit und somit bis zu 16 MiB Speicherplatz zur Verfügung zu stellen. Im Real Mode werden Deskriptoren nicht verwendet. Dort haben die Segmente eine konstante Größe von 64 KiB und der maximale Adressbereich ist auf 16 Bit begrenzt, womit ein maximaler Speicher von nur 1 MiB Größe adressiert werden kann.

Deskriptoren werden in drei Tabellen gespeichert:

• Die GDT (Global Descriptor Table) kann maximal 8192 Deskriptoren aufnehmen und ist für alle Prozesse verfügbar.
• Die LDT (Local Descriptor Table) ist eine Tabelle, die es für jeden individuellen Prozess mehrfach geben kann. Jeder Prozess besitzt seine eigenen LDTs. Die LDT enthält Speichersegmente, die als privat markiert sind und ausschließlich jeweils einem Prozess zur Verfügung stehen. Zur gleichen Zeit ist immer nur eine einzige LDT verfügbar. Bei einem Taskwechsel auf einen anderen Prozess wird auf eine LDT des anderen Prozesses umgeschaltet.
• Die dritte Tabelle ist die IDT (Interrupt Descriptor Table). Sie umfasst 256 Deskriptoren, wobei jeder Deskriptor die Startadresse eines Interrupts markiert.

Segmentdeskriptoren im 16-/32-Bit Protected Mode

Abkürzung	Bezeichnung	Bedeutung
Base address		Basisadresse des Segments, welche aus historischen Gründen in drei Bereiche aufgeteilt und insgesamt 32 Bit breit ist. Der erste Teil besteht aus dem unteren Feld (Bit 16 bis 31), der zweite Teil aus dem oberen Feld (Bit 0 bis 7) und der dritte Teil aus Bit 24 bis 31 des oberen Feldes.
G	Granularität	Wenn das Bit nicht gesetzt ist (0), geht die Segmentgröße in 1-Byte-Schritten von 1 Byte bis 1 MiB. Wenn das Bit gesetzt ist (1), variiert die Segmentgröße in 4-KiB-Schritten von 4 KiB bis 4 GiB.
D/B	Default Operand Size	Für Codesegmente: D=1: Operanden haben per Default 32 Bit; D=0: Operanden haben per Default 16 Bit. (Die Defaultwerte können durch ein "Operand Size Prefix" für den nachfolgenden Maschinenbefehl auf den jeweils anderen Wert geändert werden)
L	Long	64-bit code segment (Nur IA-32e Modus). In der Grafik Bit 21 des oberen Feldes (grau, ohne Bezeichner).
AVL	available	Dieses Bit steht dem Betriebssystem zur freien Verfügung. In der Grafik Bit 20 (oberes Feld) mit Bezeichner A.
Segment Limit		Segmentgröße in Bytes (G=0) oder in 4-KiB-Seiten (G=1). Das Segment Limit ist zweigeteilt. Der erste Teil besteht aus dem unteren Feld (Bit 0 bis 15), der zweite Teil aus dem oberen Feld (Bit 16 bis 19). Das Segment Limit ist insgesamt 20 Bit breit.
P	Präsent	P=1: Segment ist im Speicher vorhanden; P=0: Segment ist zurzeit nicht vorhanden (z. B. ausgelagert). Zugriffe auf nicht präsente Segmente lösen eine Ausnahme aus, die vom Betriebssystem abgefangen und dazu genutzt werden kann, das fehlende Segment wieder in den Speicher zu laden. In der Grafik: oberes Feld, Bit 15
DPL	Descriptor Privilege Level	Spezifiziert das Privilege Level (die Sicherheitsstufe) des Segments. In der Grafik: oberes Feld, Bit 13 und 14. DPL kann den Wert 0 bis 3 annehmen. 0 steht für die privilegierteste Stufe. Siehe: Ring (CPU)
S	System/User	S (oberes Feld Bit 12) und Type (oberes Feld Bit 8 bis 11) geben zusammen den Typ des Segments an, das durch diesen Deskriptor beschrieben wird (s. u.)
Type

Deskriptor Typen

System-Deskriptoren

S	Type	Art des Deskriptors
0 (System)	0000	reserviert
	0001	verfügbares 16-bit Task Status Segment (TSS)
	0010	Local Descriptor Table
	0011	benutztes 16-bit Task Status Segment (TSS)
	0100	16-bit Call Gate
	0101	Task Gate
	0110	16-bit Interrupt Gate
	0111	16-bit Trap Gate
	1000	reserviert
	1001	verfügbares 32-bit TSS
	1010	reserviert
	1011	benutztes 32-bit TSS
	1100	32-bit Call Gate
	1101	reserviert
	1110	32-bit Interrupt Gate
	1111	32-bit Trap Gate

Ein Call Gate-Segmentdeskriptor beschreibt einen wohldefinierte Einsprungpunkt z. B. für Betriebssystemfunktionen. Call Gates sind im Protected Mode für Code mit einer niedrigeren Privilegienstufe die einzige Möglichkeit, Code mit einer höheren Privilegienstufe aufzurufen.

In einem Task Status Segment (TSS) werden bei einem Taskwechsel (bei Hardware-Multitasking) die Inhalte aller lokalen Register und weitere Statusinformationen automatisch gesichert.

User-Deskriptoren

Bei gesetztem S-Bit gibt das oberste Bit des Type-Feldes an, ob es sich um ein Code- oder Datensegment handelt. Die Bedeutung der übrigen 3 Bits ist bei Code- und Datensegmenten verschieden.

S	Type	Art des Deskriptors
1 (User)	0EWA	Datensegment E – Expand Down W – Writable A – Accessed
	1CRA	Codesegment C – Conforming R – Readable A – Accessed

Bedeutung der Bits:

E

Expand down – Die Segmentbasisadresse kennzeichnet das obere Ende des Segments, das Limit die Entfernung der unteren Grenze zur gegebenen Basisadresse. Dies ist für Stack-Segmente sinnvoll, da auf der x86-Plattform der Prozessorstack von oben nach unten befüllt wird.

W

Writable – in dieses Segment darf auch geschrieben werden.

A

Accessed – Wird vom Prozessor automatisch auf 1 gesetzt, wenn auf das Segment zugegriffen wurde. Es kann von dem Betriebssystem wieder auf 0 gesetzt werden.

R

Readable – Codesegment kann auch (als Daten) ausgelesen werden. Schreiben in Codesegmente ist generell nicht möglich.

Quelle/Weblink

• Intels Dokumentation für Systemprogrammierer (englisch)