Как работают системные вызовы Windows подробный обзор

Для понимания того, как работают системные вызовы в операционной системе Windows, необходимо разобраться в процессе обработки команды процессором. Процессор, получив код команды, просто выполняет его, чтобы выполнить соответствующую операцию. Но как процессор понимает, какую команду выполнять?

Здесь на помощь приходят таблицы дескрипторов. Они содержат информацию о том, какие привилегии у пользователя и какие команды он может выполнять. Команды, описываются в таблице селекторов, а дескрипторы пользовательского кода хранятся в таблице сегментных дескрипторов.

Кода процессора невозможно скачать себе в память, поэтому он работает с таблицей дескрипторов. Каждый сегментный дескриптор в таблице содержит указатель на физический адрес кода, который будет выполнен при вызове функции. Также в дескрипторе хранится информация о защищенном уровне и привилегиях.

Когда процессор вызывает функцию, сначала он проверяет привилегии. Если уровень привилегий достаточно высок, процессор выполняет команды кода, находящегося по адресу, указанному в дескрипторе. Если уровень привилегий низкий, процессор срабатывает шлюзы операционной системы Windows, которые переключают процессор на системный уровень.

Расположение сегментных дескрипторов

Сегментные дескрипторы описывают как сегмент кода, так и сегмент данных. Они определяют такие параметры сегмента, как его размер, защищенный режим и комманда. Индекс дескриптора определяет, к какому сегменту будет обращаться система при выполнении системного вызова.

Когда системный вызов выполняется, происходит переключение между дескрипторами, описывающими код приложения в пространстве пользователя и код ядра Windows (называемого также системным кодом). Сегментные дескрипторы, описывающие код пространства пользователя, хранятся в дескрипторной таблице, специфичной для процесса, который вызывает функцию. А дескрипторы, описывающие системный код Windows, хранятся в дескрипторной таблице системы.

Для прерывания программы и переключения на системный код Windows достаточно вызвать системную команду, возвращаясь в программу только после выполнения требуемой системной функции. Для этого используется специальный регистр — register TR (Task Register)

Пример: информацию о дескрипторе можно получить, используя отладчик Windbg. Например, команды dt descriptor и dt nt!KPRCB; предоставят информацию о дескрипторе и ядре Windows соответственно.

Помимо этого, сегментные дескрипторы присутствуют и в защищенном режиме 32-битных систем Windows, но они хранятся в другой таблице дескрипторов. В этом режиме размер сегментного дескриптора составляет 8 байтов.

Таким образом, расположение сегментных дескрипторов в Windows зависит от платформы и режима работы системы. Их размер и хранение описано в таблицах дескрипторов, которые содержат информацию о сегментах памяти и коде. Понимание этого позволяет работать с системными вызовами и эффективно использовать память на платформе Windows.

Автоматическое переключение процессора к стеку режима ядра

При работе с системными вызовами Windows, процессор автоматически переключается между режимами ядра и пользователя. В этом разделе рассматривается, как это происходит и какой код выполняется при переключении.

Уровни привилегий в Windows

В Windows существует два уровня привилегий — режим ядра и режим пользователя. Режим пользователя — это основной режим работы программного кода, который выполняется пользовательскими программами. Режим ядра — это режим работы кода, который выполняется системным кодом операционной системы.

Когда пользовательская программа делает системный вызов, происходит переключение процессора к стеку режима ядра. Переключение происходит посредством изменения значения регистра FS в специальное значение, которое указывает на память сегмента стека режима ядра.

Индексное поле дескриптора сегмента кода

Значение, которое указывает на память сегмента стека режима ядра, хранится в индексном поле дескриптора сегмента кода. Дескриптор сегмента кода располагается в таблице дескрипторов сегментов, которая находится в собственной памяти режима ядра.

Далее, при переключении в режим ядра происходит перераспределение стека, и код системного вызова выполняется.

Шлюзы в таблице диспетчера прерывания

Таблица диспетчера прерываний — это таблица функций, которая содержит адреса шлюзов для каждого системного вызова. Когда системный вызов выполняется, процессор находит соответствующий шлюз в таблице диспетчера прерываний и переходит на его адрес, чтобы выполнить соответствующую функцию системного вызова.

Шлюзы в таблице диспетчера прерываний располагаются в сегменте кода, который называется «кодом шлюза». Каждый шлюз состоит из нескольких байтов, зависящих от платформы, и эти байты указывают на функцию системного вызова.

Эксперимент с автоматическим переключением

Чтобы лучше понять, как происходит автоматическое переключение, можно провести эксперимент. Например, можно написать программу, которая использует функцию KiSystemService и попытаться сделать вызов системного сервиса напрямую, обойдя обычный путь переключения режима. Однако, это может привести к ошибкам и нестабильной работе системы.

Основная суть автоматического переключения состоит в том, что процессор автоматически переключается между режимами ядра и пользователя, чтобы системные вызовы выполнялись в безопасной и контролируемой среде ядра операционной системы. Это позволяет обеспечить безопасность и надежность работы операционной системы.

Этапы вызова системного вызова

Процесс вызова системного вызова в Windows включает несколько этапов, каждый из которых использует определенные структуры данных и механизмы для обработки вызова. В этой статье мы рассмотрим основные этапы вызова системного вызова в Windows.

Этап 1: Подготовка вызова

На этом этапе программа-клиент готовит данные, которые будут переданы системному вызову. Обычно это включает в себя установку регистров и формирование структуры данных, называемой «кадр стека». Кадр стека описывает параметры вызова, указатель на исполняемый код вызываемой функции, а также другую информацию, необходимую для выполнения вызова.

Этап 2: Вызов системного вызова

На этом этапе происходит фактическое выполнение системного вызова. Для этого процессор переключается в «привилегированный режим» и передает управление коду операционной системы. Для вызова системных вызовов Windows используется инструкция INT (Interrupt), которая генерирует прерывание с указанным номером вектора.

Этап 3: Обработка прерывания операционной системой

При возникновении прерывания операционная система переключается в «режим ядра» и начинает обработку вызова. Она использует таблицу прерываний (Interrupt Descriptor Table, IDT), чтобы понять, как обработать данное прерывание. Каждая запись в IDT содержит указатель на обработчик прерывания — функцию, которая будет выполнена при возникновении прерывания.

В случае системных вызовов Windows обработка прерывания может быть либо собственной функцией ядра Windows, либо внешней DLL-библиотекой, такой как NTDLL.DLL или KERNEL32.DLL. Используется механизм шлюзов вызова (calling gate), который позволяет перенаправить управление к нужному обработчику.

Этап 4: Выполнение системного вызова

При выполнении системного вызова операционная система анализирует дескриптор процесса, чтобы понять, какую операцию нужно выполнить. Дескриптор процесса описывает состояние процесса, включая стек, таблицы дескрипторов и другую информацию.

В зависимости от типа системного вызова операционная система может использовать различные механизмы для выполнения вызова. Например, для файловых операций может использоваться механизм переключения контекста (Context Switching), а для операций с памятью — механизмы виртуальной памяти и управления дескрипторами памяти.

Этап 5: Возврат из системного вызова

После выполнения системного вызова операционная система возвращает управление программе-клиенту. Это происходит путем изменения состояния стека и возвращения программного счетчика (Instruction Pointer) к вызывающему коду.

Возвращаясь к нашей аналогии с кадром стека, это означает, что операционная система возвращает значение регистров, установленных на этапе 1, обратно программе-клиенту, который может использовать эти данные для дальнейшей обработки.

Таким образом, системные вызовы в Windows являются основным механизмом взаимодействия пользовательского кода с ядром операционной системы. Они позволяют программам получать доступ к системным ресурсам и выполнять различные операции, используя предоставленные операционной системой функции.

Роль шлюзов прерываний

Шлюз прерываний — это участок кода, который является точкой входа в ядро системы. Указатель на этот шлюз находится в таблице векторов прерываний и ссылается на определенный сегмент кода (несколько этих сегментов хранятся в сегментных дескрипторах, которые располагаются в защищенном сегменте памяти системного стека).

Вместо того чтобы вызвать системную функцию напрямую, Windows вызывает инструкцию CALL FAR для вызова шлюза прерываний. Эта инструкция вызывает прерывание в уровне привилегий, который является уровнем системного режима.

Во время процесса переключения контекста на шлюз прерываний сохраняются параметры вызова системного вызова, а регистр CS устанавливается переключением на код ядра. Дальнейшее выполнение функции происходит в контексте ядра. Когда функция завершается, контекст пользователя восстанавливается, и производится возврат к инструкции после системного вызова.

Для более детального анализа системного вызова можно использовать отладчик WinDbg. Пример вызова системного вызова можно проследить с помощью функции KIsystemService. При переключении на шлюз прерываний значение индекса из таблицы векторов прерываний используется для выбора нужной функции ядра (которая, в свою очередь, будет вызывать соответствующую системную функцию).

Таблицы и дескрипторы	Значение
Сегмент кода шлюза прерываний	Сегментный дескриптор
Сегментный дескриптор функции	Сегментный дескриптор
Адрес функции	Смещение в сегменте кода

Таким образом, шлюзы прерываний играют важную роль в процессе выполнения системных вызовов в операционной системе Windows. Они позволяют переключиться от пользовательского режима к системному режиму, выполнять соответствующую системную функцию и вернуться обратно к пользовательскому режиму.

Анализ системных вызовов Windows NT

Системные вызовы Windows NT хранятся в специальной таблице, называемой таблицей системных вызовов. Эта таблица представляет собой механизм, который определяет, какие команды или функции операционной системы должны быть выполнены при вызове определенного номера команды. В таблице системных вызовов хранятся адреса точек входа для каждого системного вызова, а также параметры, передаваемые при вызове.

Основной метод выполнения системных вызовов Windows NT основан на принципе исключений. Когда процессор обнаруживает команду системного вызова, он создает специальный стек и производит переключение в защищенный режим. Обработчик системного вызова находит адресс точки входа в таблице системных вызовов, который соответствует вызываемой команде и извлекает параметры из стека. Затем он переключает стек обратно в режим обычной программы и возвращает управление вызывающей стороне с помощью команды RET.

В таблице системных вызовов каждый вызов имеет свой индекс, который соответствует номеру команды. Этот индекс можно использовать для обращения к соответствующей записи в таблице системных вызовов. В записи хранятся адреса точек входа вызываемых функций, а также информация о привилегиях и параметрах вызова.

Для более детального анализа системных вызовов можно провести эксперимент и изучить содержимое таблицы системных вызовов. Для этого используется команда ldtr, которая позволяет получить базовый адрес таблицы системных вызовов. После того, как базовый адрес был получен, можно перейти к дальнейшему анализу таблицы и изучить адреса точек входа вызываемых функций, а также параметры вызова.

Индекс	Адрес точки входа	Параметры вызова
0	0x12345678	param1, param2
1	0xabcdef01	param3, param4
2	0x87654321	param5, param6

Таким образом, системные вызовы Windows NT имеют свою особенность в механизме их выполнения. Они хранятся в таблице системных вызовов, и при вызове происходит переключение стеков и обработка вызова соответствующей функции операционной системы.

Возврат из системного вызова

Когда процесс запрашивает выполнение системного вызова, он переходит в режим ядра, в котором происходит переключение контекста с пользовательского кода к коду операционной системы. Механизм, который позволяет осуществить этот переход, называется шлюзом системных вызовов.

Во время выполнения системного вызова, который находится в режиме ядра, указатель стека процессора указывает на общую область памяти, называемую стеком системного вызова. В этой области памяти хранятся параметры системного вызова, а также данные, которые могут иметь дальнейшее значение при возврате из системного вызова.

При возврате из системного вызова происходит переключение контекста обратно к пользовательскому коду. Для этого операционная система использует понятие «вектора вызова», который содержит указатель на инструкцию, куда должен вернуться незавершенный пользовательский код. Этот вектор вызова содержит индекс таблицы дескрипторов сегментов пользовательского кода, которые располагаются в главной таблице сегментов (где каждый сегмент имеет свой собственный дескриптор). Таблица сегментов содержит информацию о том, где в памяти находится код и данные сегмента.

Возвращение из системного вызова происходит при помощи инструкции iret (для x86-процессоров), которая возвращает управление по адресу, указанному в векторе вызова. Эта инструкция также осуществляет переключение режима обработчика (программного диспетчера) в защищенный режим, в котором допустимы привилегии и настройки доступа к памяти.

Одной из причин, по которой возврат из системного вызова невозможен, является блокировка системного вызова другим процессом или операционным диспетчером системы. В этом случае процесс будет вынужден ожидать, пока вызов не будет разблокирован.

Суть возврата из системного вызова заключается в том, что процессор возвращается к коду пользователя, но при этом его контекст уже изменился. Контекстом являются значения регистров процессора (например, значения регистров общего назначения, индексных регистров и флагов), которые были сохранены на стеке при входе в системный вызов.

Продолжение изучения

Представление и доступ к сегментным полям выполняется с использованием селекторов, которые располагаются в таблице дескрипторов. Каждый сегмент имеет свой дескриптор в таблице, который описывает его характеристики, такие как базовый адрес, размер и уровень привилегий. Когда код или данные находятся в сегменте, указатель на этот сегмент хранится в регистре селектором сегмента (например, в регистре CS для кода и в регистре DS для данных).

Доступ к сегментным полям осуществляется через таблицу сегментных дескрипторов. Изображение этой таблицы приведено на рисунке 1. Суть вызова системного прерывания заключается в том, что процессор выполняет переход по указателю шлюза. Затем состояние процессора сохраняется на стеке, прежде чем перейти к куску кода, соответствующему указателю шлюза. Этот код затем выполняет некоторую работу и возвращает управление, возвращаясь к шлюзу, который располагается в таблице векторов прерываний. Каждый шлюз в таблице векторов прерываний имеет свой указатель на обработчик, который затем вызывается. Обработчик выполняет работу, возвращая управление вызывающей стороне.

На уровне привилегий пользователя на x86-процессоре невозможно иметь прерывания. В других режимах операционной системы есть возможность иметь свои прерывания.

Видео:

Простые, но ВАЖНЫЕ настройки для быстрой работы Windows 11 — Оптимизация Windows 11

Простые, но ВАЖНЫЕ настройки для быстрой работы Windows 11 — Оптимизация Windows 11 by Aleksey Konovalov 389,634 views 2 years ago 9 minutes, 7 seconds