В каком процессоре впервые появился защищенный режим

Обновлено: 07.07.2024

Впервые о различных режимах работы процессоров IA-32 стали говорить с появлением процессора 80286. Это был первый представитель данного семейства процессоров, в котором были реализованы многозадачность и защищенная архитектура. Чтобы обеспечить совместимость с предыдущими представителями этого семейства (8086/88, 80186/188) в процессоре 80286 было реализовано два режима функционирования: режим эмуляции 8086 (режим реального адреса) и защищенный режим, в котором используются все возможности процессора. В последующих поколениях процессоров этого семейства защищенный режим становится основным режимом работы.

В новых поколениях процессоров Intel появился еще один режим работы - режим системного управления. Впервые он был реализован в процессорах 80386SL и i486SL. Начиная с расширенных моделей Intel486, этот режим стал обязательным элементом архитектуры IA-32. С его помощью прозрачно даже для операционной системы на уровне BIOS реализуются функции энергосбережения.

Защищенный режим (Protected Mode)

Основным режимом работы микропроцессора является защищенный режим. Ключевыми особенностями защищенного режима являются: виртуальное адресное пространство, защита и многозадачность.

В защищенном режиме программа оперирует адресами, которые могут относиться к физически отсутствующим ячейкам памяти, поэтому такое адресное пространство называется виртуальным. Размер виртуального адресного пространства программы может превышать емкость физической памяти и достигать 64Тбайт. Для адресации виртуального адресного пространства используется сегментированная модель, в которой адрес состоит из двух элементов: селектора сегмента и смещения внутри сегмента. С каждым сегментом связана особая структура, хранящая информацию о нем, - дескриптор. Кроме "виртуализации" памяти на уровне сегментов существует возможность "виртуализации" памяти при помощи страниц -страничная трансляция. Страничная трансляция предоставляет удобные средства для реализации в операционной системе функций подкачки, а кроме того в процессорах P6+ обеспечивает 36-битную физическую адресацию памяти (64Гбайт).

Встроенные средства переключения задач обеспечивают многозадачность в защищенном режиме. Среда задачи состоит из содержимого регистров МП и всего кода с данными в пространстве памяти. Микропроцессор способен быстро переключаться из одной среды выполнения в другую, имитируя параллельную работу нескольких задач. Для некоторых задач может эмулироваться управление памятью как у процессора 8086. Такое состояние задачи называется режимом виртуального 8086 (Virtual 8086 Mode). О пребывании задачи в таком состоянии сигнализирует бит VM в регистре флагов. При этом задачи виртуального МП 8086 изолированы и защищены, как от друг друга, так и от обычных задач защищенного режима.

Защита задач обеспечивается следующими средствами: контроль пределов сегментов, контроль типов сегментов, контроль привилегий, привилегированные инструкции защита на уровне страниц. Контроль пределов и типов сегментов обеспечивает целостность сегментов кода и данных. Программа не имеет права обращаться к виртуальной памяти, выходящей за предел того или иного сегмента. Программа не имеет права обращаться к сегменту данных как к коду и наоборот. Архитектура защиты микропроцессора обеспечивает 4 иерархических уровня привилегий, что позволяет ограничить задаче доступ к отдельным сегментам в зависимости от ее текущих привилегий. Кроме того, текущий уровень привилегий задачи влияет на возможность выполнения тех или иных специфических команд (привилегированных инструкций). Функции страничной трансляции, впервые появившиеся в МП Intel386, обеспечивают дополнительные механизмы защиты на уровне страниц.

Реальный режим (Real Mode)

В реальном режиме микропроцессор работает как очень быстрый 8086 с возможностью использования 32-битных расширений. Механизм адресации, размеры памяти и обработка прерываний (с их последовательными ограничениями) МП Intel386 в реальном режиме полностью совпадают с аналогичными функциями МП 8086. В отличие от 8086 микропроцессоры 286+ в определенных ситуациях генерируют исключения, например, при превышении предела сегмента, который для всех сегментов в реальном режиме - 0FFFFh.

Имеется две фиксированные области в памяти, которые резервируются в режиме реальной адресации:

· область инициализации системы

· область таблицы прерываний

Ячейки от 00000h до 003FFH резервируются для векторов прерываний. Каждое из 256 возможных прерываний имеет зарезервированный 4-байтовый адрес перехода. Ячейки от FFFFFFF0H до FFFFFFFFH резервируются для инициализации системы.

Режим системного управления (System Management Mode)

Раздел 6. Микроконтроллеры

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Режимы работы микропроцессора

2. Защищенный режим

3. Реальный режим

4. Режим системного управления

5. Переключение между режимами

1. Режимы работы микропроцессора

Впервые о различных режимах работы процессоров стали говорить с появлением процессора 80286. Это был первый представитель данного семейства процессоров, в котором были реализованы многозадачность и защищенная архитектура. Чтобы обеспечить совместимость с предыдущими представителями этого семейства (8086/88, 80186/188) в процессоре 80286 было реализовано два режима функционирования: режим эмуляции 8086 (режим реального адреса) и защищенный режим, в котором используются все возможности процессора. В последующих поколениях процессоров этого семейства защищенный режим становится основным режимом работы.

2. Защищенный режим ( Protected Mode )

В защищенном режиме программа оперирует адресами, которые могут относиться к физически отсутствующим ячейкам памяти, поэтому такое адресное пространство называется виртуальным . Размер виртуального адресного пространства программы может превышать емкость физической памяти и достигать 64Тбайт. Для адресации виртуального адресного пространства используется сегментированная модель, в которой адрес состоит из двух элементов: селектора сегмента и смещения внутри сегмента. С каждым сегментом связана особая структура, хранящая информацию о нем, - дескриптор. Кроме "виртуализации" памяти на уровне сегментов существует возможность "виртуализации" памяти при помощи страниц - страничная трансляция . Страничная трансляция предоставляет удобные средства для реализации в операционной системе функций подкачки, а кроме того в процессорах P6+ обеспечивает 36-битную физическую адресацию памяти (64Гбайт).

Встроенные средства переключения задач обеспечивают многозадачность в защищенном режиме. Среда задачи состоит из содержимого регистров МП и всего кода с данными в пространстве памяти. Микропроцессор способен быстро переключаться из одной среды выполнения в другую, имитируя параллельную работу нескольких задач. Для некоторых задач может эмулироваться управление памятью как у процессора 8086. Такое состояние задачи называется режимом виртуального 8086 ( Virtual 8086 Mode ) . О пребывании задачи в таком состоянии сигнализирует бит VM в регистре флагов. При этом задачи виртуального МП 8086 изолированы и защищены, как от друг друга, так и от обычных задач защищенного режима.

Защита задач обеспечивается следующими средствами: контроль пределов сегментов , контроль типов сегментов , контроль привилегий , привилегированные инструкции и защита на уровне страниц . Контроль пределов и типов сегментов обеспечивает целостность сегментов кода и данных. Программа не имеет права обращаться к виртуальной памяти, выходящей за предел того или иного сегмента. Программа не имеет права обращаться к сегменту данных как к коду и наоборот. Архитектура защиты микропроцессора обеспечивает 4 иерархических уровня привилегий, что позволяет ограничить задаче доступ к отдельным сегментам в зависимости от ее текущих привилегий. Кроме того, текущий уровень привилегий задачи влияет на возможность выполнения тех или иных специфических команд (привилегированных инструкций). Функции страничной трансляции, впервые появившиеся в МП Intel386, обеспечивают дополнительные механизмы защиты на уровне страниц.

3. Реальный режим ( Real Mode )

Имеется две фиксированные области в памяти, которые резервируются в режиме реальной адресации:

· область инициализации системы

· область таблицы прерываний

4. Режим системного управления ( System Management Mode )

При возврате из SMM (по инструкции RSM) процессор восстанавливает свой контекст из SMRAM. Обработчик может программно внести изменения в образ контекста процессора, тогда процессор перейдет не в то состояние, в котором произошло SMI. Если SMI было получено во время выполнения инструкции HLT, то дальнейшие действия при выходе из SMM определяются значением поля " Auto HALT Restart ": процессор может снова вернуться к инструкции останова или перейти к выполнению следующей команды. Если SMI произошло при выполнении инструкции ввода-вывода, то в зависимости от значения поля "I/O Instruction Restart " возможен рестарт инструкции ввода вывода.

Эти особенности режима системного управления позволяют использовать его для реализации системы управления энергосбережением компьютера или функций безопасности и контроля доступа.

5. Переключение между режимами

Рис. 1. Схема переключения между режимами

После инициализации процессор находится в реальном режиме. Процессор может быть переведен в защищенный режим установкой бита 0 ( Protect Enable ) в регистре CR0:

Второй вариант "достался в наследство" от 16-разрядной архитектуры 80286, для совместимости с которой ее регистр MSW ( Machine Status Word ) отображается на младшее слово регистра CR0.

Вернуться в режим реального адреса процессор может по сигналу RESET или (в отличие от 80286) сбросив бит PE:

Для совместимости с 80286 инструкция LMSW бит PE не сбрасывает.

В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел разрядность регистров 16 бит и системной шины адреса 20 бит, за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти.

В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью, i80286 имел также большую разрядность шины адреса — 24 разряда против 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого микропроцессора появились в 1984 году.

В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Микропроцессор i386 стал поддерживать новый режим работы — режим виртуального i8086, который обеспечил не только большую эффективность работу программ, разработанных для i8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ.

В настоящее время микропроцессор с 32-битной Intel-архитектурой может работать в одном из четырех режимов:

реальный режим
системный режим
защищенный режим
режим виртуального i8086

Реальный режим (Real Mode)

После инициализации (системного сброса) центральный процессор находится в реальном режиме. В реальном режиме центральный процессор работает как очень быстрый i8086 с возможностью использования 32-битных расширений. Механизм адресации, размеры памяти и обработка прерываний (с их последовательными ограничениями) микропроцессор 8086 полностью совпадают с аналогичными функциями других микропроцессоров с 32-битной Intel архитектурой в реальном режиме.

Режим системного управления (System Management Mode).

Защищенный режим (Protected Mode)

Защищенный режим является основным режимом работы микропроцессора. Ключевые особенности защищенного режима: виртуальное адресное пространство, защита и многозадачность. В защищенном режиме программа оперирует с адресами, которые могут относиться к физически отсутствующим ячейкам памяти, поэтому такое адресное пространство называется виртуальным . Размер виртуального адресного пространства программы может превышать емкость физической памяти и достигать 64Тбайт.

Виртуальный режим i8086 (V86)

В виртуальном режиме используется трансляция страниц памяти. Это позволяет в мультизадачной операционной системе создавать несколько задач, работающих в виртуальном режиме. Каждая из этих задач может иметь собственное адресное пространство, каждое размером в 1 мегабайт.
Все задачи виртуального режима обычно выполняются в третьем, наименее привилегированном кольце защиты. Когда в такой задаче возникает прерывание, процессор автоматически переключается из виртуального режима в защищённый. Поэтому все прерывания отображаются в операционную систему, работающую в защищённом режиме.

Обработчики прерываний защищённого режима могут моделировать функции соответствующих прерываний реального режима, что необходимо для правильной работы программ, ориентированных на реальный режим операционной системы MS-DOS.

1.1 Общее сравнение реального и защищенного режимов.

1.2 Основные возможности и преимущества защищенного режима.

1.3 Программная модель 32-разрядных микропроцессоров в защищенном режиме.

1.1 Общее сравнение реального и защищенного режимов.

Родоначальник семейства “ x 86” – процессор i 8086 имеет один единственный режим работы (который впоследствии назвали “ Real Mode ” – или режим реального адреса). Начиная с процессора i 80286, все последующие модели имеют возможность работать так же и в защищенном режиме “ Protected Mode ” (режим виртуального адреса). Процессоры i 80386 и выше имеют также режим виртуального процессора i 8086 – “ V 86 Mode ”, который расширяет возможности защищенного режима (эмуляция реального режима).

В реальном режиме любой “ x 86” - совместимый процессор имеет архитектуру 8086, но обладает повышенным быстродействием и расширенной системой команд. При этом возможно использование для программирования как 16-ти, так и 32-х разрядных регистров, в том числе и новых («32-разрядный 8086»).

Особенность архитектуры 8086 состоит в ограниченности объема используемой (адресуемой) памяти = 2 20 байтов = 1 Мбайт. (ША =20 разрядов)

Используется принцип сегментной адресации любого байта этого адресного пространства.

Программно задаваемые “сегмент” и “смещение” являются логическими (программными) компонентами адреса памяти.

“сегмент” – старшие 16 разрядов адреса. Находится в одном из сегментных регистров.

“смещение” – 16-ти разрядная величина внутрисегментного смещения (индекс внутри сегмента).

20-разрядный физический адрес памяти вычисляется микропроцессором из логических компонент аппаратно.

Реальный режим сохранен в 32-разрядных современных процессорах для поддержки исполнения однопрограммных операционных систем, ориентированных на архитектуру 8086 ( MSDOS , PCDOS ), и сохранения архитектурной и программной преемственности с процессорами ранних моделей.

При включении процессор находится в реальном режиме. Переход в защищенный режим выполняется программно ( см . приложение 2).

Архитектура защищенного режима принципиально отличается от архитектуры реального режима. Программно эти режимы не совместимы в силу различных механизмов управления памятью! Программы, написанные под реальный режим в защищенном режиме (на процессоре i 80286) работать не могут (процессоры i 80386 и выше в защищенном режиме имеют возможность эмуляции виртуальной машины 8086 – режим “ V 86 Mode ”).

Строго говоря, защищенный режим процессора i 80286 (во времена этого процессора) программистами не использовался. Так как его преимущества не были столь очевидными (объём памяти 286-ого компьютера редко превышал один мегабайт), а совместимость таких программ с большим, на то время, парком 86-х компьютеров бы терялась. Средств выполнения программ реального режима под операционной системой защищенного режима тогда не было (режим V 86 появился в процессорах начиная с i 80386). Поэтому 286-е машины использовались просто как скоростные варианты 86-х. И только с появлением первого 32-х разрядного процессора i 80386 – защищенный режим (сильно измененный и дополненный) стал набирать популярность. Появлялись первые операционные системы защищенного режима, которые, кстати, в дань совместимости, поначалу поддерживали и защищенный режим процессора i 80286.

Далее мы будем рассматривать защищенный режим, опираясь именно на его реализацию в i 80386, так как в последующих процессорах ( i 80486, Pentium и т.п.) он не претерпел существенных изменений, а был лишь немногим дополнен.

1.2 Основные возможности и преимущества защищенного режима.

Защищенный режим и все принципы работы процессора в этом режиме разрабатывались с целью возможности мультизадачного выполнения программ. Если поставить вопрос о создании операционной системы реального режима с поддержкой многозадачности, то сразу возникает проблема: как изолировать программы от взаимного влияния друг на друга, а при необходимости разрешить обмен информацией. Чтобы ввести такое регулирование, нужно иметь больше информации о самих задачах, что эффективно реализовать в реальном режиме невозможно. Можно предложить различные способы структурной организации и размещения такой информации. Intel не стала нарушать принцип сегментации памяти. Так как каждая задача может занимать один или несколько сегментов, то целесообразно иметь о них больше информации, как об объектах, реально существующих в данный момент в системе. Если каждому из этих объектов (сегментов) присвоить определенные атрибуты, то контроль за ними можно переложить на процессор. Что и было сделано корпорацией Intel .

Основные преимущества защищенного режима:

· Аппаратные механизмы управления памятью, позволяющие адресовать большой физический объем оперативной памяти – 16Мб для процессора i 80286 (ША=24 разряда) и 4Гб для процессора i 80386+ (ША=32 разряда);

· Аппаратные механизмы защиты адресных пространств загруженных задач друг от друга;

· Аппаратные механизмы для переключения исполнения с одной задачи на другую;

· Возможность использования «виртуальной памяти»;

· Возможность страничной адресации памяти ;

· Аппаратная возможность эмуляции виртуальной машины 8086 для исполнения программ реального режима (на процессорах 386+).

1.3 Программная модель 32-разрядных микропроцессоров в защищенном режиме .

Регистры общего назначения.

Регистры указатели адреса.

Регистры указатели сегментов памяти.

FS , GS – регистры дополнительных сегментов данных

Регистр указатель команд.

Регистр признаков (флагов) ( 8086 , 80386 , 80486 , Pentium ).

Флаги ID , VIP , VIF , AC , VM , RF , NT , IOPL используются операционной системой только в защищенном режиме.

IOPL ( Input / Output Privilege Level ) - задает минимальный уровень привилегий задачи для выполнения команд ввода/вывода (для реального режима всегда 0) (см. главу 3)

NT ( Nested Task ) = 1 показывает, что текущая задача является вложенной в другую. Устанавливается при переключении задач. Используется командой IRET для определения алгоритма ее функционирования ( см . главу 5)

RF ( Restart Flag ) – используется для аппаратной отладки, совместно с отладочными регистрами

VM ( Virtual Mode ) – используется для перехода в режим «виртуального 8086». Бит может устанавливаться только в защищенном режиме – инструкцией IRET на нулевом уровне привилегий ( см . главу 3) или переключением задач на любом уровне привилегий (см. главу 6)

VIF ( Virtual Interrupt Flag ) – виртуальный флаг IF (разрешение прерывания) для многозадачных систем (см. главу 6)

VIP ( Virtual Interrupt Pending ) – виртуальный запрос прерывания.

ID ( Identification flag ) – флаг доступности инструкции CPUID (аппаратная идентификация процессора)

Используются при управлении памятью и переключении задач. К ним относятся:

Регистр адреса глобальной дескрипторной таблицы ( GDT ) (см. главу 2).

Регистр адреса таблицы дескрипторов прерываний ( IDT ) (см. главу 4).

Регистр – селектор сегмента локальной дескрипторной таблицы ( LDT ) (см. главу 2).

Регистр – селектор сегмента состояния задачи ( TSS ) (см. главу 5).

Регистры управления – 32-разрядные CR 0, CR 1, CR 2, CR 3, CR 4

Управляющие регистры ( Control Registers ) CR0, CR1, CR2, CR3 хранят при знаки состояния процессора, общие для всех задач. Регистр СR0[0 ¸ 15] включает в себя биты регистра MSW процессора 80286. Для обеспечения программной совместимости команды LMSW и SMSW затрагивают только эти младшие 4 бита.

Таблица 1.1 Регистры управления

Назначение бит регистра СR0:

· РЕ ( Protection Enable ) - разрешение защиты. Установка этого флага инструкцией LMSW или LOAD CR0 переводит процессор в защищенный режим, сброс флага (возврат в реальный режим) возможен только по ин струкции LOAD CR0. Сброс бита РЕ является частью довольно длинной последовательности инструкций, подготавливающих корректное пере ключение в реальный режим.

· ЕТ ( Extension Туре) - индикатор поддержки инструкций математического сопроцессора. Используется в процессорах 486+, для 486SX - ET=0, для остальных процессоров — ET=1.

· WP ( Write Protect ) - разрешение защиты страниц памяти.

· AM ( Alignment Mask ) - разрешение контроля выравнивания (контроль выравнивания выполняется только на уровне привилегий 3 при АМ=1 и флаге АС=1).

· NW ( Not Write through ) - запрет сквозной записи кэша и циклов анну лирования.

· CD ( Cache Disable ) - запрет заполнения кэша (попадания в ранее запол ненные строки при этом обслуживаются кэшем ).

· PG ( Paging Enable ) - включение механизма страничной переадресации памяти.

Регистр CR1 не используется.

Регистр CR2 ( Page Fault Linear Address ) хранит 32-битный линейный адрес, по которому был получен последний отказ страницы памяти.

Регистр С R З ( Page Directory Base Register ) в старших 20 битах хранит физический базовый адрес таблицы каталога страниц. Из младших 12 бит в процессорах 486+ используются следующие :

· PCD ( Page-Level Cache Disable ) - запрет кэширования страницы (один из источников аппаратного сигнала PCD для управления внешним кэшем ).

· PWT ( Page-Level Writes Trough ) - кэширование страницы со сквозной записью (один из источников аппаратного сигнала PWT для управления внешним кэшем ).

Регистр CR4 (присутствует в процессорах Pentium и старше) содержит биты разрешения архитектурных расширений. Назначение бит регистра CR4:

· VME (Virtual-8086 Mode Extensions ) - разрешение использования виртуального флага прерываний в режиме V86, что позволяет повысить произво дительность за счет сокращения вызовов монитора виртуальных машин.

· PVI ( Protected-Mode Virtual Interrupts ) - - разрешение использования виртуального флага прерываний в защищенном режиме.

· TSD ( Time Stamp Disable ) - превращение инструкции RDTSC (чтение счетчика меток реального времени) в привилегированную .

· DE ( Debugging Extensions ) - расширение отладки (разрешение точек останова на инструкциях обращения к заданным портам ввода/вывода).

· PSE ( Page Size Extension ) - расширение размера страницы (4 Кбайт и 4 Мбайт).

· РАЕ ( Physical Address Extension ) - расширение физического адреса (страницы 4 Кбайт и 2 Мбайт, 36-битная адресация).

· PGE ( Paging Global Extensions ) - разрешение глобальности в страничной переадресации. При PGE=1 по команде MOV CR3 в TLB ( Translation Lookaside Buffer – буфер ассоциативной трансляции адресов страниц) очищаются только вхождения с не установленным битом глобальности G (P6+).

· РСЕ ( Performance-monitoring Counter Enable ) - разрешение обращения к счетчикам событий (инструкция RDPMC) на любом уровне привилегий.

Регистры отладки – 32-разрядные DR 0, DR 1, . . . DR 7

Предназначены для аппаратной отладки. Средства аппаратной отладки машинного кода появились только в процессоре i 80486. Аппаратно процессор содержит восемь регистров отладки – реально используются только шесть. Регистры DR 0 ¸ DR 3 предназначены для задания линейных адресов четырех точек прерывания. Механизм таков: любой формируемый текущей программой адрес сравнивается со значениями этих регистров, и при совпадении генерируется исключение отладки с номером 1. Регистр DR 6 – регистр состояния отладки, его биты устанавливаются в соответствии с причинами, которые вызвали исключение с номером 1.

· b 0 – прерывание по достижению контрольной точки в DR 0;

· b 1 – тоже в DR 1 ;

· b 2 – тоже в DR 2 ;

· b 3 – тоже в DR 3 ;

· bd (13) – служит для защиты регистров отладки;

· bs (14) – устанавливается в «1», если исключение 1 было вызвано состоянием флага tf =1 в регистре Eflags ;

· bt (15) – устанавливается в «1», если исключение 1 было вызвано переключением на задачу с установленным битом ловушки в TSS t =1;

Все остальные биты заполняются нулями. Обработчик исключения 1 должен определить его причину по этому регистру и выполнить необходимые действия.

Регистр DR 7 – регистр управления отладкой. Содержит поля, для всех четырех регистров отладки, уточняющие условия генерации исключения.

Современные модели процессоров семейства “ x 86” имеют дополнительные управляющие биты в регистре признаков, управляющих регистрах, дополнительные регистры для контроля и управления. Их количество и назначение индивидуально для каждого процессора.

Читайте также: