Реальный и защищенный режимы работы процессора

Широко известно, что первым микропроцессором, на базе которого был создан персональный компьютер IBM PC, был Intel 8088. Этот микропроцессор отличал­ся от первого 16-разрядного микропроцессора фирмы Intel (микропроцессора 8086), прежде всего, тем, что у него была 8-разрядная шина данных, а не 16-разряд­ная (как у 8086). Оба этих микропроцессора предназначались для создания вы-

102________________ Глава 4. Особенности архитектуры микропроцессоров i80x86

числительных устройств, работающих в однозадачном режиме, то есть специаль­ных аппаратных средств для поддержки надежных и эффективных мультипрог­раммных операционных систем в них не было.

Однако к тому времени, когда разработчики осознали необходимость включения специальной аппаратной поддержки мультипрограммных вычислений, уже было создано очень много программных продуктов. Поэтому для совместимости с пер­выми компьютерами в последующих версиях микропроцессоров была реализова­на возможность использовать их в двух режимах: реальном (real mode) — так на­звали режим работы первых 16-разрядных микропроцессоров — и защищенном (protected mode), означающем, что параллельные вычисления могут быть защи­щены аппаратно-программными механизмами.

Подробно рассматривать архитектуру первых 16-разрядных микропроцессоров i8086/i8088 мы не будем, поскольку этот материал должен изучаться в других дисциплинах. Итак, мы исходим из того, что читатель знаком с архитектурой про­цессора i8086/i8088 и с программированием на ассемблере для этих 16-разряд­ных процессоров Intel. Для тех же, кто с ней незнаком, можно рекомендовать, например, такие книги, как [12, 24, 40] и многие другие. Однако мы напомним, что в этих микропроцессорах (а значит, и в остальных микропроцессорах семей­ства i80x86 при работе их в реальном режиме) обращение к памяти с возможным адресным пространством в 1 Мбайт осуществляется посредством механизма сег­ментной адресации (рис. 4.1). Этот механизм был использован для того, чтобы увеличить с 16 до 20 количество разрядов, участвующих в формировании адреса ячейки памяти, по которому идет обращение, и тем самым увеличить доступный объем памяти.

Рис. 4.1. Схема определения физического адреса для процессора 8086

Для конкретности будем рассматривать определение адреса команд, хотя для ад­ресации операндов используется аналогичный механизм, только участвуют в этом случае другие сегментные регистры. Напомним, что для определения физическо­го адреса команды содержимое регистра сегмента кода (Code Segment, CS) умно­жается на 16 за счет добавления справа (к младшим битам) четырех нулей, после чего к полученному значению прибавляется содержимое регистра указателя ко-

Новые системные регистры микропроцессоров j0x86_________________________ 103

манд (Instruction Pointer, IP). Получается 20-разрядное значение, которое и по­зволяет указать любой байт из 20²⁰.

В защищенном режиме работы определение физического адреса осуществля­ется совершенно иначе. Прежде всего, используется сегментный механизм для организации виртуальной памяти. При этом адреса задаются 32-разрядными значениями. Кроме этого, возможна страничная трансляция адресов, также с 32-разрядными значениями. Наконец, при работе в защищенном режиме, ко­торый по умолчанию предполагает 32-разрядный код, возможно исполнение двоичных программ, созданных для работы микропроцессора в 16-разрядном режиме. Для этого введен режим виртуальной 16-разрядной машины, и 20-раз­рядные адреса реального режима транслируются с помощью страничного ме­ханизма в 32-разрядные значения защищенного режима. Наконец, есть еще один режим — 16-разрядный защищенный, позволяющий 32-разрядным микропро­цессорам выполнять защищенный 16-разрядный код, который был характерен для микропроцессора 80286. Правда, следует отметить, что этот последний ре­жим практически не используется, поскольку программ, созданных для него, не так уж и много.

Для изучения этих возможностей рассмотрим сначала новые архитектурные воз­можности микропроцессоров i80x86.