Основы AS/400 - Фрэнк Солтис

Скоро выяснилось, что мы не можем защитить ассоциированный сегмент указателей от изменений. При той степени защиты, которая планировались для System/38 (уровень 30), пользователь, имевший право доступа к объекту, мог работать с его содержимым с помощью ассемблера MI. Помещение указателей в отдельную часть объекта не предоставляло дополнительной защиты. Пришлось искать другое решение.

Аппаратная защита указателей

Мы понимали, что необходима некоторая форма аппаратной защиты памяти для указателей. Многие из больших систем того времени, такие как System/370, использовали для защиты памяти специальные аппаратные разряды, разрешавшие или запрещавшие пользователю доступ к некоторому блоку байтов памяти. Биты защиты обычно помещались в отдельном аппаратном массиве памяти, где пользователь не мог до них добраться. При каждом обращении к памяти этот массив проверялся, чтобы определить, имеет ли пользователь право на доступ к данному блоку памяти. Обычно такая защита устанавливалась на физический блок памяти размером в одну страницу.

Первоначально использовать в аппаратуре System/38 такой тип защиты памяти не планировалось: никто не думал, что он понадобится, ведь защита проектируемой системы выполнялась на уровне объектов. Однако, когда стало понятно, что некая форма аппаратной защиты все же нужна, мы рассмотрели возможность защиты блока размером в одну страницу. Но, во-первых, это было дорого, а, кроме того, такой подход не вполне соответствовал планам разработчиков. В идеале, нам виделась защита для каждых 16 байтов памяти, так как указатель занимает именно столько. Но чтобы сделать систему производительной, хотелось иметь возможность размещать указатели где угодно, но тогда отдельный аппаратный массив разрядов защиты для каждых 16 байтов памяти становился неприемлем по стоимости. Наконец, нашлось решение: использовать для защиты памяти дополнительные разряды, предназначенные для кода коррекции ошибок ECC (error correcting code).

Иногда, в памяти компьютера возникают ошибки из-за перепадов напряжения в электросети или по другим причинам. Для защиты от ошибок в большинстве памятей используются коды обнаружения ошибок и коды исправления ошибок. Действуют они так: к каждому слову памяти добавляются дополнительные разряды. Слово памяти содержит столько разрядов, сколько может быть считано за одну операцию. При считывании данных из памяти эти дополнительные разряды проверяются, чтобы определить, не произошла ли ошибка.

Простейшая форма обнаружения ошибок — добавление к слову памяти одного разряда четности. Его значение выбирается так, чтобы число разрядов 1 в слове памяти, включая разряд четности, всегда было четным. Если в памяти происходит ошибка, вызывающая изменение значения любого из битов с 1 на 0 или наоборот, то она будет обнаружена, когда при следующем считывании слова окажется, что число разрядов 1 нечетно. Четность позволяет определить одиночную ошибку, но не говорит, в каком разряде она произошла. С помощью такого механизма, обычно применяемого на ПК, можно определить нечетное число ошибок в слове памяти. Но если число ошибок четное, он не поможет.

Большинство компьютеров, используемых для коммерческих задач, в частности AS/400, как для обнаружения, так и для исправления ошибок применяют дополнительные разряды кодов коррекции. Эти дополнительные разряды могут определять все однократные и многократные ошибки, и даже указать, в каком именно разряде они произошли. Таким образом, аппаратура может исправить ошибку и продолжить работу. Значение коррекции ошибок очевидно для каждого, кому приходилось видеть на экране ПК сообщение «memory parity error». С таким сломанным ПК ничего нельзя сделать до тех пор, пока неисправный модуль памяти не заменен. По этой причине многие старшие модели современных ПК используют памяти ECC.

Оригинальная аппаратура System/38 имела 32-разрядное (4-байтовое) слово памяти. ECC требовал дополнительных 7 разрядов, то есть для каждого слова памяти было нужно 39 разрядов. Технология тогда позволяла увеличивать размер слова только приращениями по 8 разрядов, то есть, фактически, слово памяти имело размер 40 разрядов. Для каждого 4-байтового слова памяти предусматривался дополнительный разряд, который и должен был осуществлять функции защиты памяти. Мы назвали его разрядом тега.

Указатель занимает 16 байтов памяти. Мы решили всегда помещать указатели на 16-байтовые границы (все четыре младшие разряда адреса памяти равны 0). Такую конфигурацию обычно обозначают термином четверное слово (quadword), или, иначе говоря, 16-байтовое поле, выровненное на 16-байтовую границу. Есть и двойные слова, а кроме того, слова, выровненные на 8-ми и 4-байтовые границы. Обычно, под термином слово понимается 4 байта.

Указатель в оригинальной System/38 занимал четыре последовательных 4-байтовых слова памяти, каждое со своим разрядом тега. Мы решили, что для каждого слова памяти этот разряд будет равен 1, если слово содержит любую из четырех частей указателя; и 0 — если не содержит. Для самого указателя нужен только один разряд, так что если все четыре разряда в четырех последовательных словах памяти установлены в 1, то значение логического тега указателя равно 1. Если любой из четырех разрядов был равен 0, то и логический тег указателя равнялся 0.

Последующие версии AS/400 имеют 64-разрядное (8-байтовое) слово памяти. Такое слово требует 8 разрядов ЕСС; так что с учетом разряда тега, слова памяти AS/ 400 упакованы по 73 разряда. Мы по-прежнему размещаем указатели на 16-байтовых границах, и у каждого указателя есть один логический разряд тега. Если в AS/400 с 64-разрядным словом, два разряда тега в двух последовательных словах, содержащих указатель, оба равны 1, то и логический тег указателя равен 1. Если же любой из разрядов равен нулю, то и указатель имеет логический тег 0. Чтобы оставаться в рамках принятой терминологии, мы называем 64-разрядное слово памяти двойным словом.

Всякий раз, когда в AS/400 происходит запись в память, аппаратура управления памятью строит ЕСС и сохраняет его вместе со словом памяти. В процессе операции записи эта аппаратура также отключает разряд тега в слове памяти (устанавливает его в 0). Так что в результате выполнения любой стандартной команды записи в память, разряды тега записанных слов всегда будут сброшены в 0.

Режим активных тегов

В главе 2 мы говорили о расширениях архитектуры PowerPC. Одно из таких расширений — режим активных тегов. Когда процессор PowerPC работает в данном режиме, доступны дополнительные команды, которых нет в режиме неактивных тегов. Всего для AS/400 было добавлено 25 команд, доступных только в режиме активных тегов. Сюда входят команды множественной загрузки и сохранения четверных слов в регистрах, а также команды, обратные им. Есть также команды десятичной арифметики, системные функции вызова/возврата и команды выделения для проверки значений разрядов в управляющих регистрах. Шесть новых команд поддерживают теги.

Некоторые из этих специальных теговых команд используются для установки или проверки значений разрядов тега. Одна из них, команда «Сохранить четверное слово» («stq»), сохраняет в памяти 16 байтов данных из двух 64-разрядных регистров и включает два разряда тега. Другая —«Загрузить четверное слово» («lq»), загружает 16 байтов памяти в два 64-разрядных регистра и устанавливает разряд в регистре управления в 1, если оба теговых разряда в считанных словах равны 1 (в противном случае этот разряд устанавливается в 0). Еще одна команда позволяет считывать теги из памяти в специальный регистр процессора. Использование этой команды будет рассмотрено в следующем разделе.

Теговые команды: используются только в SLIC; они не генерируются транслятором для программ MI. Это означает, что любое сохранение в памяти, сгенерированное для программы MI, всегда использует стандартные команды и отключает разряды тега. Когда в процессе разрешения создается указатель, SLIC строит его в двух 64-разрядных регистрах и использует команду «stq» для включения теговых регистров в памяти. При всякой попытке использовать указатель программой MI, SLIC загружает его содержимое командой «lq» в регистры и затем проверяет, установлены ли разряды: тега. Если разряды тега сброшены, значит, кто-то изменил указатель, и он теперь неверен.

Разряды тега AS/400 не предотвращают изменения указателей, а лишь определяют, производились ли эти изменения. Такой подход отличается от большинства схем защиты памяти. Обычно, защита памяти не допускает изменений, и такая защита на уровне страниц в AS/400 имеется. Однако указатели распознают лишь уже произошедшие модификации, что по сравнению с ранними версиями системы сокращает объем аппаратуры, но по-прежнему обеспечивает нужный уровень защиты.

Указатели нельзя подделать. Теги гарантируют, что указатель создан ОС (SLIC), и что он не изменялся чем-либо, кроме SLIC. Недобросовестный пользователь, попытавшись создать, скопировать или изменить указатель, не сможет включить разряды тега и получит в результате бесполезные 16 байт. Именно поэтому AS/400 всегда работает в режиме активных тегов, несмотря на то, что процессоры PowerPC, используемые в ней, могут действовать и в режиме неактивных тегов.