Разработчики рассматриваемого семейства микропроцессоров в своем стремлении обеспечить максимально возможную совместимость архитектуры пошли не только на то, чтобы за счет введения реального режима работы обеспечить возможность программам, созданным для первых 16-разрядных персональных компьютеров, без проблем выполняться на компьютерах с более поздними моделями микропроцессоров. Они обеспечили возможность выполнения 16-разрядных приложений реального режима при условии, что сам процессор функционирует в защищенном режиме работы, и операционная система, используя соответствующие аппаратные средства микропроцессора, организует мультипрограммный (мультизадачный) режим. Другими словами, микропроцессоры i80x86 поддерживают возможность создания операционных сред реального режима при работе микропроцессора в защищенном режиме. Если условно назвать 16-разрядные приложения DOS-приложениями (поскольку в абсолютном большинстве случаев это именно так), то можно сказать, что введена поддержка виртуальных DOS-машин, работающих вместе с обычными 32-разрядными приложениями защищенного режима. Это нашло отражение в названии такого режима работы микропроцессоров i80x86 (его называют режимом виртуального процессора i8086, иногда для краткости — режимом V86, или просто виртуальным режимом), когда в защищенном режиме работы может исполняться код DOS-приложения. Мультизадачность при выполнении нескольких программ реального режима поддерживается аппаратными средствами защищенного режима.
114_______________ Глава 4. Особенности архитектуры микропроцессоров j80x86
Переход в виртуальный режим осуществляется посредством изменения бита VM (Virtual Mode) в регистре EFLAGS. Когда процессор находится в виртуальном режиме, для адресации памяти используется схема реального режима работы (сегмент плюс смещение) с размером сегментов до 64 Кбайт, которые могут располагаться в адресном пространстве размером в 1 Мбайт, однако полученные адреса считаются не физическими, а линейными. В результате страничной трансляции осуществляется отображение виртуального адресного пространства 16-разрядного приложения на физическое адресное пространство. Это позволяет организовать параллельное выполнение нескольких задач, разработанных для реального режи--ма, да еще совместно с обычными 32-разрядными приложениями, требующими защищенного режима работы.
Естественно, что для обработки прерываний, возникающих при выполнении 16-разрядных приложений в виртуальном режиме, процессор возвращается из этого режима в обычный защищенный режим. В противном случае невозможно было бы организовать полноценную виртуальную машину. Очевидно, что обработчики прерываний для виртуальной машины должны эмулировать работу подсистемы прерываний процессора i8086. Другими словами, прерывания отображаются в операционную систему, работающую в защищенном режиме, и уже основная операционная система моделирует работу операционной среды выполняемого приложения.
Вопрос, связанный с операциями ввода-вывода, которые недоступны для обычных приложений (см. следующий раздел), решается аналогично. При попытке выполнить недопустимые команды (ввода-вывода) возникают прерывания, и необходимые операции выполняются операционной системой, хотя задача об этом и «не подозревает». При выполнении команд IN, OUT, INS, OUTS, CLI, STI процессор, находящийся в виртуальном режиме и исполняющий код на уровне привилегий третьего (самого нижнего) кольца защиты, за счет возникающих вследствие этого прерываний переводится на выполнение высоко привилегированного кода операционной системы.
Таким образом, операционная система может полностью виртуализировать аппаратные1 и программные ресурсы компьютера, создавая полноценную операционную среду, отличную от себя самой, ибо существуют так называемые на-тивные приложения, создаваемые по собственным спецификациям данной операционной системы. Очень важным моментом для организации полноценной виртуальной машины является виртуализация не только программных, но и аппаратных ресурсов. Так, например, в Windows NT эта задача выполнена явно неудачно, тогда как в OS/2 имеется полноценная виртуальная машина как для DOS-приложений, так и для приложений, работающих в среде спецификаций Winl6. Правда, в последнее время это перестало быть актуальным, поскольку появилось большое количество приложений, работающих по спецификациям Win32 API.
1 Речь идет о памяти, портах ввода-вывода, системе обработки прерываний и других устройствах.
Защита адресного пространства задач____________________________________ 115
1 Речь идет о памяти, портах ввода-вывода, системе обработки прерываний и других устройствах.