《保护模式及其编程》课件

保护模式及其编程保护模式是现代计算机操作系统中的一种重要机制，它提供了内存保护、用户模式和内核模式分离等功能，为安全可靠的系统运行提供了保障。什么是保护模式?硬件保护保护模式为操作系统提供了一种机制，以保护系统资源免受恶意软件和应用程序的访问。内存保护保护模式将内存划分为不同的段，每个段都有自己的权限和访问控制，防止应用程序访问其他程序的内存区域。多任务处理保护模式支持多任务处理，允许多个程序同时运行，而不会相互干扰。系统稳定性保护模式提高了系统的稳定性和可靠性，防止程序错误或恶意攻击导致系统崩溃。保护模式的概念保护模式是一种操作系统的运行模式，它为系统提供更高级的安全性、稳定性和资源管理。通过将内存和系统资源划分为不同的保护区域，保护模式防止应用程序和用户访问或修改其他程序或系统资源，确保系统安全和稳定运行。保护模式的核心是使用特权级来限制不同程序的访问权限。每个程序都被分配一个特权级，特权级越高，权限越大。例如，操作系统内核拥有最高的特权级，可以访问所有系统资源。保护模式的特点内存保护保护模式提供内存访问控制。用户程序不能访问其他程序的内存。特权级操作系统运行在特权级，用户程序运行在非特权级。虚拟内存保护模式支持虚拟内存管理，每个进程都有自己的地址空间。系统调用用户程序通过系统调用访问操作系统服务。保护模式的优点安全性保护模式增强了系统安全性。它通过内存分段和特权级机制，防止用户程序访问其他程序或系统内核，从而确保系统数据的完整性。稳定性保护模式提高了系统稳定性。它可以有效地防止程序错误影响其他程序，并降低系统崩溃的风险，从而提高系统可靠性。资源利用保护模式可以更好地管理系统资源，例如内存和外设。它允许操作系统将资源分配给不同的程序，并防止程序互相干扰，从而提高资源利用率。可扩展性保护模式的设计考虑了可扩展性，方便操作系统添加新的功能和特性，并支持多任务和多用户环境，提高系统的灵活性和适应性。保护模式的缺点1性能损耗保护模式引入的额外安全机制会造成一定程度的性能损耗，降低程序运行效率。2复杂性保护模式涉及大量的内存管理、访问控制和异常处理机制，复杂性增加，开发难度较高。3资源消耗保护模式需要额外分配内存空间用于存储安全相关的元数据，增加了内存消耗。保护模式的基本定义内存管理保护模式引入了内存分段机制，为不同程序提供独立的地址空间，防止相互干扰。特权级保护模式将CPU操作权限分为四个等级，限制不同程序的访问权限，增强系统安全性。异常处理保护模式提供异常处理机制，捕获非法访问或错误操作，保证系统稳定运行。多任务保护模式支持多任务，允许多个程序同时运行，提高系统效率。保护模式的基本机制1地址转换从逻辑地址到物理地址2特权级控制访问权限3中断处理保护系统状态4内存管理虚拟内存机制保护模式使用段式内存管理，将内存划分成多个段，每个段都有独立的地址空间，保护模式下，CPU会根据当前程序的特权级别，决定是否允许访问某个段的地址空间。操作系统的保护机制数据完整性防止未经授权的修改，确保数据的一致性和可靠性。资源访问控制限制用户和程序对系统资源的访问权限，防止非法操作。用户隔离将不同的用户和进程相互隔离，防止互相干扰和恶意攻击。保护模式的四种特权级保护模式下，操作系统通过四种特权级来管理系统资源和访问权限。特权级从0到3，数字越小，特权级别越高，拥有更多权限。例如，内核运行在最高特权级0，拥有完全访问权限；而用户程序则运行在最低特权级3，只能访问其允许的资源。保护模式的页式存储管理页式存储管理页式存储管理是将物理内存划分为固定大小的页面，并将程序的逻辑地址空间也划分为大小相同的页面。每个页面都有一个页表项，记录该页面的物理地址和访问权限。保护模式优势页式存储管理可以有效地保护程序之间的内存空间。它可以防止程序访问其他程序的内存区域，从而提高系统安全性。保护模式下的中断处理中断向量表中断向量表是保护模式下处理中断的关键数据结构，用于存储每个中断类型对应的中断处理程序地址。中断门中断门是保护模式下一种特殊的门，它用于将控制权转移到中断处理程序。中断处理程序中断处理程序是一段特殊的代码，它负责处理中断事件，恢复系统正常运行。中断优先级保护模式支持中断优先级，以确保关键中断能够及时得到处理。保护模式下的内存管理虚拟内存保护模式允许使用虚拟内存，将物理内存映射到更大的虚拟地址空间。分页机制将内存划分为固定大小的页面，并建立页表来实现虚拟地址到物理地址的转换。分段机制将内存划分为不同的段，每个段都有自己的权限和访问控制机制。内存分配操作系统通过内存分配算法，将内存空间分配给不同的进程和线程。保护模式下的进程管理进程切换保护模式下，操作系统需要进行快速且安全的进程切换，以确保不同进程之间不会相互干扰。内存保护每个进程都有其独立的地址空间，操作系统负责分配和管理内存，防止进程之间相互访问内存。进程同步保护模式下，操作系统提供了多种机制来同步不同进程之间的操作，例如信号量和互斥锁。进程通信操作系统提供了多种进程间通信机制，例如管道、消息队列和共享内存，方便进程之间相互传递信息。保护模式下的文件管理11.文件系统访问保护模式下，操作系统使用文件系统来管理文件，为应用程序提供访问权限。22.权限控制操作系统可以根据文件类型和用户的权限来控制对文件的访问，防止未经授权的访问和修改。33.安全机制文件系统可以提供诸如文件加密、访问日志记录等安全机制，以保护文件免受恶意攻击和非法操作。44.文件操作保护模式下，应用程序可以使用操作系统提供的系统调用进行文件创建、删除、打开、关闭、读写等操作。保护模式下的设备管理设备访问控制保护模式下，操作系统控制着设备的访问权限，防止非法访问。设备驱动程序设备驱动程序负责管理设备的硬件接口，并与操作系统进行交互。设备分配策略操作系统分配设备资源，确保公平性和效率。设备故障处理操作系统监控设备状态，并处理故障情况。保护模式的编程实现1汇编语言使用汇编语言编写程序2系统调用使用系统调用访问系统资源3中断机制使用中断机制处理硬件事件保护模式的编程实现需要使用汇编语言，因为保护模式下需要直接访问硬件资源。程序员可以通过系统调用访问系统资源，例如内存、文件和设备。中断机制可以用来处理硬件事件，例如键盘输入和鼠标点击。保护模式下的数据结构段描述符段描述符存储段的属性信息，包括段基地址、段界限、访问权限等。门描述符门描述符用于保护系统资源，包括中断门、陷阱门、调用门等。页目录表页目录表用于管理虚拟内存到物理内存的映射关系，每个表项对应一个4KB页。页表页表用于管理物理内存的分配和使用，每个表项对应一个物理内存页框。保护模式下的函数调用1堆栈切换保护模式下，函数调用涉及堆栈切换，保存和恢复函数调用上下文信息。2特权级检查函数调用过程中，会检查调用者和被调用者的特权级，确保安全性和稳定性。3参数传递参数传递方式多种多样，根据不同的调用约定进行传递，例如寄存器传递或堆栈传递。保护模式下的资源访问控制访问控制列表(ACL)保护模式下，操作系统使用访问控制列表(ACL)来控制对资源的访问权限。ACL是一个包含访问控制条目(ACE)的列表，每个ACE指定了特定用户或组对资源的访问权限。特权级操作系统使用特权级来控制对系统资源的访问。不同的特权级拥有不同的访问权限，例如，内核级代码拥有对所有系统资源的完全访问权限，而用户级代码只能访问分配给它的资源。保护模式下的异常处理错误检测保护模式通过专门机制检测各种异常，例如除零错误、内存访问违规、非法指令等。异常处理系统捕获异常并进行处理，避免系统崩溃，保护系统稳定性。错误报告异常处理提供详细的错误信息，方便开发者诊断问题，进行修复。系统恢复异常处理机制允许操作系统恢复到安全状态，避免数据丢失。保护模式下的多任务编程1任务切换保护模式允许操作系统在多个任务之间进行快速切换，提高系统效率。2同步机制保护模式提供各种同步机制，例如信号量和互斥量，确保多个任务安全地访问共享资源。3进程间通信保护模式支持进程间通信，允许不同的任务相互交互和协作。保护模式下的虚拟内存管理11.地址转换虚拟内存管理需要进行地址转换，将虚拟地址转换为物理地址。22.页面调度页面调度算法负责将磁盘上的页面调入内存，并替换内存中的页面。33.页表管理页表记录了虚拟地址和物理地址之间的映射关系，用于进行地址转换。44.虚拟内存保护虚拟内存保护机制可以防止进程访问其他进程的内存空间。保护模式下的安全性隔离性保护模式提供内存隔离。每个进程拥有自己的地址空间，防止互相访问。访问控制操作系统对不同特权级的访问权限进行控制，阻止恶意程序访问敏感资源。数据保护保护模式通过硬件机制保护数据免受非法访问，提高数据安全性和完整性。代码完整性保护模式通过硬件机制保护代码免受篡改，保障代码完整性，防止恶意代码执行。保护模式下的性能优化1缓存优化保护模式通过页式存储管理，提高了缓存命中率。2指令流水线保护模式下，处理器可以执行多个指令同时进行，提升指令执行效率。3内存管理保护模式的页式存储管理机制，减少了内存碎片，提高了内存利用率。4多线程保护模式支持多线程操作，充分利用系统资源，提高程序的运行速度。保护模式下的调试及维护调试工具保护模式下的调试需要专门的工具，如调试器，它提供内存访问、断点设置、寄存器查看等功能。日志记录记录系统运行过程中的重要信息，方便分析问题，例如系统启动过程、内存分配、进程切换等。错误处理保护模式下，程序错误可能导致系统崩溃，需要完善的错误处理机制，例如异常处理、中断处理。系统监控监控系统运行状态，例如CPU占用率、内存使用情况、磁盘读写速度等，及时发现潜在问题。保护模式在操作系统中的应用保护模式是现代操作系统设计的基础，提供安全、稳定的运行环境，是现代操作系统不可或缺的组成部分。保护模式确保了操作系统的资源安全，为多用户、多任务的运行提供了可靠保障，并且保护模式还为操作系统提供了虚拟内存管理、中断处理等关键功能。保护模式在嵌入式系统中的应用嵌入式系统通常资源有限，保护模式可以提高内存利用率，增强系统安全性。保护模式可以有效隔离不同任务的运行环境，防止相互干扰，确保系统稳定性。保护模式可以简化嵌入式系统的开发过程，提高代码可移植性，降低开发成本。保护模式在实时系统中的应用实时系统对时间响应要求严格，需要快速响应外部事件，并及时处理数据。保护模式可以提供内存保护、特权级控制等功能，有效提高实时系统的稳定性和可靠性。例如，在工业控制系统中，保护模式可以确保关键代码和数据不受其他程序的干扰，防止系统崩溃。保护模式的未来发展趋势云计算云计算平台将提供更强大的计算能力，支持更复杂的操