Режимы работы процессора

Все 32–разрядные и более поздние процессоры Intel, начиная с i80386, могут выполнять программы в нескольких режимах. Режимы процессора предназначены для выполнения программ в различных операционных средах. В разных режимах возможности процессора неодинаковы, потому что команды выполняются по–разному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и выполняющимися задачами.

Процессоры могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном реальном (реальном внутри защищенного).

Реальный режим. В первой модели IBM PC использован процессор i8088, который мог выполнять 16–разрядные команды, применяя 16–разрядные внутренние регистры, и адресовать только 1 Мбайт памяти, используя 20 разрядов для адреса. Поэтому все программное обеспечение было разработано на основе 16–разрядной системы команд и модели памяти объемом 1 Мбайт.

Более поздние процессоры, например i80286, могли также выполнять те же самые 16–разрядные команды, что и i8088, но намного быстрее.

Другими словами, процессор i80286 был полностью совместим с i8086 и мог выполнять все 16–разрядные программы точно так же, как i8086, но значительно быстрее за счет большей тактовой частоты. Шестнадцатиразрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров i8088 и i80286, назван реальным режимом. Все программы, выполняющиеся в реальном режиме, должны использовать только 16–разрядные команды, 20–разрядные адреса и поддерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1 Мбайт.

Для программного обеспечения этого типа обычно используется однозадачный режим. Нет никакой аппаратной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти одной программы или даже ОС другой программой. Это означает, что при выполнении нескольких программ могут быть испорчены данные или код одной из них.

Защищенный режим. Первым 32–разрядным процессором, предназначенным для ПК, был i80386. Этот процессор мог выполнять абсолютно новую 32–разрядную систему команд. Чтобы полностью использовать преимущество 32–разрядной системы команд, были необходимы 32–разрядная операционная система и 32–разрядные приложения. Этот новый режим стали называть защищенным режимом, так как выполняющиеся в нем программы защищены от перезаписи своих областей памяти другими программами. Такая защита делает систему более надежной, поскольку ни одна программа с ошибками уже не сможет легко повредить другие программы или операционную систему. Кроме того, программу, «потерпевшую крах», можно довольно просто завершить без перезагрузки всей системы. Защищенный режим процессора использует все семейство операционных систем Windows.

Соответственно двум типам операционных систем все программное обеспечение ПК подразделяется на два класса: программы, предназначенные для работы под управлением MS–DOS (их называют приложениями DOS), и программы, предназначенные для ОС Windows (приложениями Windows). Приложения DOS могут работать только в реальном режиме, а приложения Windows – только в защищенном. Таким образом, выражения «программирование в системе MS–DOS», «программирование в реальном режиме» и «программирование 86–го процессора» фактически являются синонимами.

Реальный и защищенный режимы принципиально различаются способом обращения к оперативной памяти компьютера. Метод адресации памяти, используемый в реальном режиме, позволяет адресовать память лишь в пределах 1 Мбайт. В защищенном режиме используется уже другой механизм, позволяющий обращаться к памяти объемом до 4 Гбайт. Другое важное отличие защищенного режима заключается в его аппаратной поддержке, реализованной в самом процессоре.

Процессор Pentium 64/Athlon64 стал первенцем в мире 64–разрядных возможностей. Этот процессор также совместим со всем существующим 32–разрядным программным обеспечением. Но для того чтобы воспользоваться свойствами процессора в полном объеме, потребуются полноценные 64–разрядные операционные системы и приложения.

Microsoft уже выпустила 64–разрядные версии операционной системы Windows XP, в то время как различными компаниями создаются 64–разрядные приложения для серверов и рабочих станций.

Виртуальный реальный режим. Для обратной совместимости 32–разрядная система Windows использует третий режим в процессоре – виртуальный реальный режим. Виртуальный реальный является режимом выполнения 16–разрядной среды (реальный режим), которое реализовано внутри 32–разрядного защищенного режима (виртуально, а не реально). Поскольку защищенный режим является подлинно многозадачным, фактически можно выполнять несколько сеансов реального режима, причем в каждом собственное программное обеспечение работает на виртуальном компьютере. И все эти приложения могут выполняться одновременно, даже во время работы других 32–разрядных программ.

Виртуальный реальный режим используется при выполнении программ в среде в Windows в окне DOS, а также при выполнении 16–разрядных программ, написанных для DOS или Windows 3.x. Виртуальное реальное окно полностью имитирует среду процессора i8086, и, если не учитывать быстродействие современных процессоров, программное обеспечение выполняется так же, как оно выполнялось на ранних моделях ПК в реальном режиме. Каждая виртуальная машина получает собственный 1 Мбайт адресного пространства и собственный экземпляр реальных аппаратных подпрограмм управления аппаратурой (базовую систему ввода–вывода), причем при этом эмулируются все регистры и возможности реального режима.

Важно отметить, что все процессоры Intel , а также Intel–совместимые при включении питания ПК начинают работать в реальном режиме. При загрузке 32–разрядная операционная система автоматически переключает процессор в 32–разрядный режим и управляет им в этом режиме.

Процессор i8086 как микросхема уже давно не используется, но система команд целиком вошла в современные процессоры, у которых сравнительно небольшое число команд специально предназначено для организации защищенного режима, распознаются они процессором, только когда он работает в защищенном режиме. Поэтому изучение языка ассемблера для процессоров семейства Intel целесообразно начинать с ассемблера процессора i8086.

Поскольку разработка СПО напрямую затрагивает аппаратные возможности процессора, следует знать, в какой степени программист может использовать новые возможности процессоров в своих программах и какие проблемы программной несовместимости могут при этом возникнуть. Программа, которая будет работать с 32–разрядными операндами, должна иметь в своем составе одну из директив: .386, .486 или .586.

Внутренняя память

Память современных ПК имеет сложную многоуровневую структуру. Ее принято делить на два класса: внутреннюю и внешнюю. В этом разделе рассмотрим состав и назначение внутренней памяти.