Tryby pracy procesorów

Indeks



Tryb Rzeczywisty (oprogramowanie

16-bitowe)



Tryb chroniony (oprogramowanie 32-

bitowe),



Wirtualny tryb rzeczywisty

(oprogramowanie 16-bitowe

uruchamiane na platformie 32-

bitowej).

Tryb rzeczywisty

Oryginalny komputer IBM PC był wyposażony w

procesor 8088, który przy użyciu 16-bitowych

rejestrów wewnętrznych potrafił wykonywać

instrukcje 16-bitowe oraz za pośrednictwem 20 linii

adresowych współpracować z pamięcią o

pojemności maksymalnej 1 MB. Oprogramowanie,

w które był wyposażony oryginalny IBM PC zostało

stworzone z myślą o współpracy z procesorem

8088, dlatego też wykorzystywało zestaw instrukcji

16-bitowych i 1-megabajtowy model pamięci.

Przykładowo, system DOS i wszystkie programy dla

niego przeznaczone oraz system Windows w

wersjach 1 .x - 3.x wraz z aplikacjami zostały

napisane przy wykorzystaniu instrukcji 16-

bitowych. 16-bitowe systemy operacyjne i aplikacje

zostały stworzone dla oryginalnego procesora

8088.



Następne procesory, takie jak 286, nadal mogły

wykonywać te same 16-bitowe instrukcje co procesor

8088, ale już znacznie szybciej. Inaczej mówiąc, procesor

286 był w pełni z nim kompatybilny, dlatego też można

było na nim uruchamiać wszystkie programy 16-bitowe

co w przypadku procesora 8088, ale oczywiście działały

one o wiele szybciej. Tryb wykonywania przez procesory

8088 i 286 instrukcji 16-bitowych został określony

terminem trybu rzeczywistego (ang. real mode).

Wszystkie programy pracujące w trybie rzeczywistym

mogą korzystać tylko z instrukcji 16-bitowych i

współpracować z 20-bitową architekturą pamięci (1 MB).

Tego typu oprogramowanie z reguły jest jednozadaniowe,

co oznacza, że jednocześnie może być uruchomiony tylko

jeden program. Ponadto nie ma wbudowanej żadnego

ochrony zapobiegającej wykorzystaniu przez program

obszaru pamięci już przydzielonego innemu programowi

lub systemowi operacyjnemu. Jeśli zatem uruchomiono

więcej niż jeden program, dowolny z nich może

spowodować zawieszenie całego systemu.

Tryb chroniony (32-bitowy)



Pierwszym procesorem 32-bitowym przeznaczonym dla

komputerów PC i wprowadzonym do sprzedaży był układ

386. Procesor ten mógł wykonywać zupełnie nowy zestaw

instrukcji 32-bitowych. Aby w pełni wykorzystać taką

możliwość, konieczne było stworzenie odpowiedniego 32-

bitowego systemu operacyjnego i aplikacji. Nowy, 32-

bitowy tryb pracy procesora został określony terminem

trybu chronionego (ang. protected mode). Nazwa

wywodzi się stąd, że programy działające w tym trybie

otrzymują własny obszar pamięci, przez co nie dochodzi

między nimi do konfliktów. Tego typu ochrona sprawia, że

system jest o wiele bardziej stabilny, ponieważ programy

zawierające błąd nie mogą w prosty sposób zaszkodzić

innym programom lub systemowi operacyjnemu. Poza

tym program, który się zawiesił, może być usunięty z

pamięci bez szkody dla reszty systemu.



Wiedząc, że stworzenie nowych systemów

operacyjnych i aplikacji wykorzystujących zalety

32-bitowego trybu chronionego może zająć

trochę czasu, firma Intel na wszelki wypadek

wbudowała do układu 386 kompatybilność wstecz

z trybem rzeczywistym. Pozwoliło to, bez

potrzeby wykonywania żadnych modyfikacji, na

uruchamianie 16-bitowych systemów

operacyjnych i aplikacji. Działały one zupełnie

przyzwoicie i o wiele szybciej niż w przypadku

poprzedniego procesora. Opracowanie nowego

oprogramowania opartego na architekturze 32-

bitowej nie było dla nich konieczne właściwie

wystarczyło, aby istniejące aplikacje 16-bitowe

działały znacznie szybciej. Niestety, oznaczało to.

że procesor nigdy nie wykorzysta 32-bitowego

trybu chronionego, a tym samym wszystkie

związane z tym możliwości zostaną utracone.



W sytuacji, gdy tak wydajny procesor jak Pentium

III pracuje pod kontrolą systemu DOS (w trybie

rzeczywistym), upodabnia się on do procesora

8088 w wersji Turbo. Słowo "Turbo" oznacza, że

jest lepszy od zwykłego procesora 8088 w tym,

że każdy program 16-bitowy działa szybciej, ale

poza tym wykorzystuje tylko 16-bitowe instrukcje

i ma dostęp do tego samego obszaru pamięci o

pojemności 1 MB, co oryginalny układ 8088.

Wniosek z tego jest taki, że jeśli jesteś

posiadaczem systemu zawierającego procesor

Pentium 4 lub Athlon oraz 256 MB pamięci, a

pracującego pod kontrolą systemu Windows 3.1

lub DOS, wtedy w rzeczywistości jest

wykorzystywany tylko pierwszy megabajt

pamięci, a pozostałe 255 MB jest nieużywane!



Pojawiło się zatem zapotrzebowanie na nowe systemy

operacyjne i aplikacje działające w 32-bitowym trybie

chronionym oferowanym przez nowoczesne procesory.

Użytkownicy komputerów opierali się początkowym

próbom przejścia na 32-bitowe środowisko pracy. Można

odnieść wrażenie, że społeczność użytkowników nie jest

skłonna do zmian i woli nadal wykorzystywać starsze

oprogramowanie, ale działające szybciej z nowym

procesorem, niż nowe aplikacje oferujące dodatkowe

możliwości. Wskutek tak dużego sprzeciwu musiało

upłynąć sporo czasu, zanim prawdziwe 32-bitowe

systemy operacyjne takie jak Unix lub jego odmiany

(Linux), OS/2 lub nawet Windows NT/2000 czy XP zyskały

na rynku komputerów osobistych większą popularność.

Windows XP jest pierwszym w pełni 32-bitowym

systemem operacyjnym, który odniósł prawdziwy sukces

i było to spowodowane głównie faktem zakończenia

tworzenia przez Microsoft systemów z serii Windows

95/98/Me, które są mieszanką architektur 16- i 32-

bitowej. Windows 3.x był ostatnim wyłącznie 16-bitowym

systemem operacyjnym. Tak naprawdę nigdy nie był

uważany za prawdziwy system operacyjny, ponieważ

stanowił nakładkę dla systemu DOS.



Nowy procesor Itanium oferuje nową

architekturę 64-bitową, chociaż można

również uruchomić istniejące aplikacje

32-bitowe. Aby jednak w pełni

wykorzystać jego możliwości, konieczne

jest stworzenie 64-bitowego systemu

operacyjnego i aplikacji. Firma Microsoft

opracowała 64-bitową wersję systemu

Windows XP, natomiast kilka innych

producentów stworzyło 64-bitowe

aplikacje sieciowe przeznaczone dla stacji

roboczych.

Wirtualny tryb rzeczywisty



Kluczem do zgodności wstecz 32-bitowego

środowiska Windows jest trzeci tryb pracy

procesora wirtualny tryb rzeczywisty. Wirtualny

tryb rzeczywisty (ang. virtual real mode) właściwie

jest trybem wirtualnym środowiska 16-bitowego

działającego w 32-bitowym trybie chronionym. Po

uruchomieniu w systemie Windows sesji DOS jest

wykorzystywany wirtualny tryb rzeczywisty. Dzięki

wielozadaniowości oferowanej przez tryb

chroniony właściwie możliwe jest uruchomienie

kilku sesji w trybie rzeczywistym, w których

działają programy na zasadzie pracy w

wirtualnych komputerach. Programy te mogą

działać jednocześnie, nawet gdy są uruchomione

aplikacje 32-bitowe.



Należy zauważyć, że dowolny program działający w

wirtualnym trybie rzeczywistym ma dostęp tylko do 1

MB pamięci, co spowoduje, że będzie "przekonany o

tym", że jest to pierwszy i jedyny megabajt pamięci

dostępnej w systemie. Inaczej mówiąc, jeśli aplikacja

napisana dla systemu DOS zostanie uruchomiona w

wirtualnym trybie rzeczywistym, będzie miała do

dyspozycji tylko 640 kB. Takie ograniczenia wynika stąd,

że w przypadku 16-bitowego środowiska pracy jest

dostępny tylko 1 MB pamięci RAM, z czego 384 kB jest

zarezerwowane dla samego systemu. Wirtualny tryb

rzeczywisty w pełni emuluje środowisko pracy

procesora 8088, dlatego też aplikacje działają tak, jakby

były uruchomione w komputerze oferującym tylko

faktyczny tryb rzeczywisty. Każda wirtualna maszyna

korzysta z własnej 1-megabajtowej przestrzeni

adresowej, w której znajduje się obraz rzeczywistych

funkcji systemu BIOS odwołujących się do urządzeń i

emuluje wszystkie pozostałe rejestry oraz funkcje

występujące w trybie rzeczywistym.



Wirtualny tryb rzeczywisty jest wykorzystywany

w momencie uruchomienia, w oknie sesji DOS,

16-bitowego programu stworzonego dla systemu

DOS lub Windows 3.x. Po uruchomieniu takiego

programu system Windows tworzy wirtualną

maszynę DOS, która przejmuje jego obsługę.



Zasługujący na uwagę jest fakt, że wszystkie

procesory firmy Intel i z nimi kompatybilne

takich firm jak AMD i Cyrix, działając w trybie

rzeczywistym, zwiększają swoją wydajność. Po

załadowaniu 32-bitowego systemu operacyjnego

następuje automatyczne przełączenie pracy

procesora w tryb 32-bitowy, który od tej pory

przejmuje kontrolę.



Należy również zwrócić uwagę na istotną rzecz, a

mianowicie na to, że niektóre aplikacje 16-bitowe

(dla systemu DOS i Windows 3.x), działając w

środowisku 32-bitowym, nie zachowują się

prawidłowo, co oznacza, że wykonują one

operacje, które nie są obsługiwane nawet w

wirtualnym trybie rzeczywistym.

Oprogramowanie diagnostyczne jest znakomitym

tego przykładem. Tego typu programy nie

sprawują się za dobrze działając w oknie sesji

wirtualnej uruchomionej w systemie Windows. W

takich sytuacjach rozwiązaniem jest przełączenie

procesora Pentium III w faktyczny tryb

rzeczywisty poprzez załadowanie systemu DOS z

dyskietki startującej lub, w przypadku systemu

Windows 9x (z wyjątkiem Me), poprzez

przerwanie procesu jego ładowania i nakazanie

uruchomienia zwykłej platformy DOS.



Chociaż tryb rzeczywisty jest używany

przez 16-bitowy system operacyjny DOS i

zwykłe aplikacje, istnieją programy, które

"poszerzają" system DOS i udostępniają

pamięć rozszerzoną (powyżej 1 MB).

Czasem są one określane terminem

ekspandera systemu DOS (ang. DOS

extenders) i zazwyczaj stanowią część

programów przeznaczonych dla systemu

DOS lub Windows 3.x. Protokół opisujący

proces przełączania systemu DOS w tryb

chroniony nosi nazwę DPMI (ang. DOS

protected mode interface).



Protokół DPMI był wykorzystywany przez system

Windows 3.x w celu uzyskania przez działające

pod jego kontrolą aplikacje dostępu do pamięci

rozszerzonej. DPMI umożliwiało 16-bitowym

programom korzystanie z większej ilości pamięci

niż pozwalała im na to ich architektura. Programy

rozszerzające DOS były szczególnie popularne w

przypadku gier napisanych dla systemu DOS,

ponieważ za ich pomocą możliwy był dostęp do

znacznie większej ilości pamięci systemowej niż

standardowy 1 MB, z którym mogła

współpracować większość aplikacji trybu

rzeczywistego. Zasada ich działania polega na

ciągłym włączaniu i wyłączaniu trybu

rzeczywistego procesora. W przypadku

programów rozszerzających DOS uruchomionych

pod kontrolą systemu Windows jest przez nie

wykorzystywany wbudowany protokół DPMI

pozwalający im ma współdzielenie obszaru

systemowej pamięci rozszerzonej.



Kolejnym wyjątkiem dotyczącym trybu

rzeczywistego jest obszar 64 kB pamięci

rozszerzonej, który właściwie jest dostępny

dla komputera uruchomionego w tym

trybie, chociaż tak nie powinno być.

Sytuacja ta jest wynikiem błędu

popełnionego w oryginalnym komputerze

IBM AT, a dotyczącym 21 linii adresowej

pamięci znanej jako A20 (pierwszą linią

adresową jest A0). Po zmodyfikowaniu tej

linii programy działające w trybie

rzeczywistym uzyskiwały dostęp do

pierwszych 64 kB pamięci rozszerzonej,

czyli już za granicą 1 MB. Taki obszar

pamięci określany jest terminem pamięci

wysokiej (ang. High memory area HMA).

Document Outline