5. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОРОВ I80386 И I80486
5.1.
Преобразование адресов5.2.
Обработка прерываний5.3.
Мультизадачность5.4.
Режим виртуального процессора i80865.5.
Виртуальные машины5.6.
Переключение в защищённый и реальный режимы5.7.
Процессор i804865.8.
80286, 80386, 80486...Что дальше? Появление следующей после i80286 модели процессора фирмы Intel- процессора i80386 - предопределило конец эры использования среднимии некоторыми большими организациями крупных компьютеров классаIBM-360/370 (аналогами которых являются широко распространённыев нашей стране ЭВМ серии ЕС). По своим возможностям персональныекомпьютеры, выполненные на базе процессора i80386 сопоставимы,а в ряде случаев превосходят ЭВМ серии ЕС. И это ещё без учётапотребительских свойств и затрат на ремонт и обслуживание. Последняяна момент написания данной книги модель - процессор i80486 - обладаетещё большей производительностью.
Несмотря на значительные архитектурные отличия по сравнению спроцессорами i8086 и i80286, процессоры i80386 и i80486 обеспечиваютполную совместимость с программным обеспечением, разработаннымдля более ранних моделей процессоров. Процессор i80386 выполняетвсе программы, составленные для процессора i8086, и притом делает это значительно быстрее, чем сам i8086.
К сожалению, часто владельцы такой мощной техники, как персональныекомпьютеры на базе i80386 и i80486, не используют возможностейэтих компьютеров даже наполовину. Работая в среде операционнойсистемы MS-DOS с программами, подготовленными специально для этойоперационной системы, вы будете использовать только режим совместимостипроцессоров i80386 и i80486, остальные преимущества новых процессоров(помимо более высокой скорости выполнения программ) будут вамнедоступны.
Аналогичное можно сказать и об операционной системе OS/2 версийот 1.0 до 1.3. Эта операционная система рассчитана на процессорi80286. Разумеется, вы можете использовать OS/2 этих версий вкомпьютерах на базе i80386 или i80486, однако лучше приобрестиOS/2 версии 2.0 или более старшей версии, ориентированной на использованиеархитектурных особенностей новых процессоров.
Какие же преимущества имеют процессоры i80386 и i80486 перед предыдущимимоделями? Приведём только самые важные, на наш взгляд, особенностиновых процессоров:
- Высокое быстродействие, определяемое, в частности, высокойтактовой частотой (25 Мгц, 33 Мгц и даже больше).
- Разрядность процессоров i80386 и i80486 составляет 32 бита(предыдущие модели от i8086 до i80286 были 16-разрядными). Увеличениеразрядности процессора приводит к увеличению скорости выполненияпрограмм, так как процессор способен за один машинный такт обработатьбольший объём информации.
- Расширенный набор машинных команд и большое количество поддерживаемыхпроцессором типов данных позволяют создавать более эффективные,более компактные программы, которые работают значительно быстрееориентированных на 16-разрядные процессоры.
- Новый механизм преобразования адресов, являющийся дальнейшимразвитием механизма, использованного в процессоре i80286. Теперьпроцессор может рассматривать память как один или несколько сегментов,причём размер сегмента может достигать 4 гигабайт (4*2*30 байт).С другой стороны, страничная адресация позволяет организоватьзащиту памяти для каждой страницы. Размер страницы составляет4 килобайта. Использование страниц значительно облегчает реализациювиртуальной памяти.
- Помимо реального и защищённого режима работы, в процессорахi80386 и i80486 предусмотрен режим виртуального процессора 8086(виртуальный режим), в который процессор может войти из защищённогорежима. Виртуальный режим позволяет эмулировать процессор i8086,находясь в защищённом режиме. Это, в частности, даёт возможностьв мультизадачной операционной системе организовать одновременноевыполнение нескольких программ, ориентированных на процессор i8086.
Объём книги ограничен, поэтому мы не сможем подробно рассмотретьвсе особенности процессоров i80836 и i80486. Для полного описанияпотребовалось бы много сотен страниц. Но это и не является нашейцелью. Все подробности при необходимости вы сможете узнать излитературы, список которой приведён в конце книги. Однако дляпрактического использования многих преимуществ новых процессороввам не потребуются подробные знания всех особенностей.
Это связано с тем, что реально вы будете работать в среде мультизадачнойоперационной системы или использовать иное программное обеспечение,которое окажет вам значительную помощь в составлении программдля защищённого режима. Если же ваша область интересов связанас разработкой операционных систем защищённого режима для процессоровi80386 или i80486, вам не обойтись без толстых руководств по процессорам,поставляемых фирмой Intel.
Итак, мы сконцентрируем внимание на практическом использованиисамых важных особенностей процессора i80836. И первое, с чегомы начнём - это механизм преобразования адресов в процессоре i80836.
Процессор i80386 в защищённом режиме использует трёхступенчатуюсхему преобразования адреса.
Программы используют логический адрес, состоящий из селектораи смещения (аналогично процессору i80286). Селектор полностьюаналогичен используемому в процессоре i80286. Компонента смещенияявляется 32-разрядной, т.к. допустимый размер сегмента значительнопревышает 64 килобайта.
Уровень логического адреса - это первая ступень в схеме преобразованияадресов.
Вторая ступень - получение из логического адреса 32-разрядноголинейного адреса. Линейный адрес берётся из глобальной или локальнойтаблицы дескрипторов (GDT или LDT) в зависимости от соответствующегобита селектора (бит 2). Механизм получения линейного адреса напоминаетмеханизм получения 24-разрядного физического адреса в процессореi80286. Однако линейный адрес не отображается непосредственнона адресную шину памяти, то есть он не является физическим адресом.
Для получения из линейного адреса физического адреса используетсятретья ступень - механизм страничной адресации. С помощью этогомеханизма 20 старших бит линейного адреса используются для выбораблока памяти размером 4 килобайта. Такой блок называется страницейфизической памяти. Оставшиеся 12 бит линейного адреса представляютсобой смещение внутри страницы.
Процесс преобразования логического адреса в линейный иллюстрируетсярис. 17.
Рис. 17. Преобразование логического адреса в линейный.
Значение из поля индекса селектора используется в качестве индексав таблице LDT или GDT для выборки 32-разрядного базового адреса.Этот базовый адрес складывается со второй компонентой логическогоадреса - смещением. В результате получается 32-разрядный линейныйадрес.
Преобразование линейного адреса в физический иллюстрируется рис.18.
Рис. 18. Преобразование линейного адреса в физический.
Процесс вычисления адреса страницы часто называют трансляциейстраниц. Старшие 10 бит линейного адреса используются как индексв таблице, называемой каталогом таблиц страниц. Расположение каталогатаблиц страниц в физической памяти определяется содержимым системногорегистра процессора CR3.
Каталог таблиц страниц содержит дескрипторы таблиц страниц, определяющиефизический адрес таблиц страниц. В каталоге таблиц страниц всегоможет быть 1024 дескриптора. Самих же каталогов может быть сколькоугодно, но в каждый момент времени используется только один -тот, на который указывает регистр CR3.
Следующие 10 бит линейного адреса предназначены для индексациитаблицы страниц, выбранной с помощью старших 10 бит адреса. Таблицастраниц содержит 1024 дескриптора, определяющих физические адресастраниц памяти. Размер одной страницы составляет 4 килобайта,т.е. 4096 байт.
Младшие 12 бит линейного адреса указывают смещение к адресуемомубайту внутри страницы.
На рис. 19 представлен формат дескриптора таблицы страниц.
Рис. 19. Дескриптор таблицы страниц.
Для представления старших 20 битов физического адреса таблицысраниц в дескрипторе используются биты 12-31. Младшие 12 битовадреса таблицы всегда равны нулю, таким образом, таблица страницдолжна быть выровнена в памяти на границу 4096 байт (на границустраницы).
Формат дескриптора страницы представлен на рис. 20.
Рис. 20. Дескриптор страницы.
Биты 12-31 в дескрипторе страниц указывают старшие 20 бит физическогоадреса страницы. Младшие 12 бит адреса страницы всегда равны нулю.
Назначение бит 0-11 одинаково и для дескриптора таблицы страниц,и для дескриптора страницы. В таблице 4 приведено описание этихбит.
Таблица 5. Биты 0-12 дескрипторов таблиц страниц и страниц.
| Номер бита | Назначение |
| 0 (P) | Бит присутствия в памяти. Установлен в 1, если определяемая данным дескриптором таблица страниц находится в оперативной памяти. Этот бит используется для организации виртуальной памяти. |
| 1 (W) | Разрешение записи. Если бит установлен в 1, то запись в страницы разрешена. Бит используется для организации защиты от записи на уровне страниц. |
| 2 (U) | Пользователь/супервизор. Используется для разграничения доступа к страницам операционной системы (страницы супервизора) и страницам программ пользователя. Значение бита, равное 0, соответствует страницам супервизора, 1 - страницам программы пользователя. |
| 3-4 | Эти биты зарезервированы и должны быть установлены в 0 для совместимости со следующими моделями процессора. |
| 5 (A) | Бит доступа. Он устанавливается процессором перед выполнением операций чтения страницы или записи в страницу. |
| 6 (D) | Бит мусора. Устанавливается, если была выполнена запись в каталог или страницу. |
| 7-8 | Эти биты зарезервированы и должны быть установлены в 0 для совместимости со следующими моделями процессора. |
| 9-12 (AVL) | Эти биты доступны для использования операционной системой (AVL - Available for use). |
Мы видим, что для процессора i80386 добавилось ещё два типа таблиц,содержащих дескрипторы и, соответственно, два типа дескрипторов- дескриптор таблиц страниц и дескриптор страниц.
Для использования механизма трансляции страниц операционная системадолжна установить в 1 старший бит системного регистра CR0. Еслиэтот бит не установлен в 1, физический адрес будет равен линейному,содержимое регистра адреса каталога таблиц страниц CR3 при этомдля преобразования адреса использоваться не будет.
Форматы дескрипторов, располагающихся в таблицах GDT, LDT и IDTпретерпели изменения по сравнению с используемыми в процессореi80286. Например, вместо 24-битового физического адреса в дескрипторахдолжен находиться 32-битовый линейный адрес.
Напомним, что в дескрипторах процессора i80286 было зарезервированодва байта. Эти байты используются процессором i80386 (рис. 21).
Рис. 21. Дескрипторы для процессора i80386.
Процессор i80386 использует 32-разрядный базовый адрес сегментаи 20-разрядное поле предела. В зарезервированном для процессораi80286 поле в битах 24-31 находится старший байт 32-разрядногобазового адреса сегмента. Биты 16-19 используются для хранениястарших четырёх битов предела.
В процессоре i80286 поле предела указывало размер сегмента в байтах.Для процессора i80486 интерпретация поля предела зависит от установкибита G - бита гранулярности. Если бит G установлен в 1, поле пределасодержит размер сегмента в страницах (размером 4096 байт). Еслибит G сброшен, размер сегмента вычисляется в байтах.
Бит гранулярности G также находится в поле, которое в процессореi80286 было отмечено как зарезервированное.
Поле, обозначенное на рис. 21 как X, указывает разрядность выполняемыхкоманд, принятых по умолчанию. Если этот бит установлен в 1, используются32-разрядные команды, если сброшен в 0 - 16-разрядные.
Бит AVL предназначен для использования системным программным обеспечением.
Бит S - признак системного сегмента. Если этот бит сброшен в 0,то сегмент системный.
Назначение остальных полей дескриптора аналогично используемомув процессоре i80286. В первой главе мы привели таблицу типов сегментов,в ней описаны и сегменты для процессора i80386.
Процессор i80386 в защищённом режиме обрабатывает прерывания точнотакже, как и процессор i80286. Есть отличия в формате дескрипторов,располагающихся в дескрипторной таблице прерываний IDT. Эти отличиязаключаются в использовании других значений в поле типа (см. таблицу1 в главе 1) и в том, что два байта, зарезервированные в вентиляхпрерывания и исключения процессора i80286 используются процессоромi80386 для хранения битов 16-31 32-разрядного смещения.
В процессоре i80386 получила дальнейшее развитие аппаратная поддержкамультизадачности, впервые введённая в процессоре i80286.
Рис. 22. Сегмент TSS процессора i80386.
Из рисунка видно, что в TSS предусмотрены поля для хранения сегментныхрегистров GS, FS, DS, SS, CS, ES (процессор i80386 имеет два новыхсегментных регистра - GS и FS). Имеется поле для хранения содержимогорегистра LDTR, указывающего на локальную таблицу дескрипторов,распределённую данной задаче.
Для хранения содержимого 32-разрядных регистров используются поляTSS, обозначенные на рисунке как EDI, ESI, EBP, ESP, EBX, EDX,ECX, EAX, EFLAGS, EIP.
Поле CR3 хранит содержимое системного регистра CR3. Этот регистрявляется указателем на каталог таблиц страниц. Таким образом,каждая задача может иметь свой собственный каталог таблиц страниц,что позволяет выполнить изоляцию задач не только на уровне сегментов,но и на уровне страниц.
TSS процессора i80386 содержит указатели на стеки для второго,первого и нулевого приоритетных колец. Это поля SS2:ESP2, SS1:ESP1,SS0:ESP0.
Поле LINK используется для ссылки на TSS вызвавшей задачи привложенном вызове задач, аналогично тому как это было в процессореi80286.
Бит T используется для отладки. Если он установлен в 1, при переключениина задачу возникает отладочное исключение, которое может бытьиспользовано системным отладчиком.
Есть ещё одно очень интересное новшество, введённое в процессорi80386 - битовая карта ввода/вывода. Что это такое?
Мы уже говорили о том, что для обеспечения безопасной работы системынеобходимо ограничить доступ программам пользователя ко всем илипо крайней мере к некоторым портам ввода/вывода. Злонамереннаяпрограмма, имеющая доступ к портам контроллера прямого доступак памяти, может выполнить с помощью этого контроллера чтение илизапись информации по любым физическим адресам. Процессор i80286хранит в регистре флагов уровень привилегий IOPL, на котором разрешеновыполнять команды ввода/вывода. С помощью этого механизма можнозапретить непривилегированным программам выполнять команды ввода/вывода.
Однако такой способ защиты не слишком удобен. Некоторые портыввода/вывода не только безопасны для использования, но и весьмаполезны для обычных программ (например, порт системного динамикаили принтера).
Битовая карта ввода/вывода процессора i80386 позволяет для каждойзадачи определить порты, которые эта задача может использовать.То есть операционная система имеет возможность санкционироватьлюбую задачу для использования любого набора адресов портов ввода/вывода.Если задача попытается обратиться к несанкционированному портуввода/вывода, произойдёт исключение.
Сегмент TSS содержит поле, обозначенное на рис. 22 как база картыввода/вывода. Оно служит для указания расположения битовой картыввода/вывода задачи, использующей данный TSS.
Поле базы карты ввода/вывода указывает 16-разрядное смещение началабитовой карты ввода/вывода относительно TSS. Предел TSS долженопределяться с учётом карты ввода/вывода.
Каждый бит в карте ввода/вывода соответствует адресу байта портаввода/вывода. После битовой карты должен располагаться байт 0FFh.
При выполнении 16- или 32-разрядных операций ввода/вывода процессорпроверяет все биты (2 или 4 бита), соответствующие адресу порта.Если проверяемый бит установлен в 1, происходит исключение.
Для тех программ, которые являются привилегированными, если уровеньпривилегий меньше или равен уровню IOPL, процессор не выполняетпроверку битовой карты ввода/вывода.
Для того чтобы полностью запретить задаче обращаться к портамввода/вывода, достаточно установить базу карты ввода/вывода большейили равной пределу TSS. В этом случае любая команда ввода/выводаприведёт к генерации исключения.
Процессор i80386 содержит средства для работы в так называемомрежиме виртуального процессора i8086, называемого также для краткостирежимом V86 или просто виртуальным режимом. Заметим, что до разработкифирмой Intel процессора i80836 термин "виртуальный режим"иногда использовался в литературе для обозначения защищённогорежима работы процессора i80286.
В режим V86 процессор может перейти из защищённого режима, еслиустановить в регистре флагов EFLAGS бит виртуального режима (VM-бит).Номер бита VM в регистре EFLAGS - 17.
Когда процессор i80386 находится в виртуальном режиме, его поведениево многом напоминает поведение хорошо знакомого нам процессора i8086. В частности, для адресации памяти используется схема <сегмент:смещение>,размер сегмента составляет 64 килобайта, а размер адресуемой вэтом режиме памяти - 1 мегабайт.
Виртуальный режим предназначен для работы программ, ориентированных на процессор i8086 (или i8088). Но виртуальный режим - это не реальный режим процессора i8086, имеются существенные отличия.Процессор фактически продолжает использовать схему преобразования адресов памяти и средства мультизадачности защищённого режима.
В виртуальном режиме используется трансляция страниц памяти. Этопозволяет в мультизадачной операционной системе создавать несколько задач, работающих в виртуальном режиме. Каждая из этих задач можетиметь собственное адресное пространство, каждое размером в 1 мегабайт.
Все задачи виртуального режима обычно выполняются в третьем, наименеепривилегированном кольце защиты. Когда в такой задаче возникаетпрерывание, процессор автоматически переключается из виртуальногорежима в защищённый. Поэтому все прерывания отображаются в операционнуюсистему, работающую в защищённом режиме.
Обработчики прерываний защищённого режима могут моделировать функциисоответствующих прерываний реального режима, что необходимо дляправильной работы программ, ориентированных на реальный режимоперационной системы MS-DOS.
Обычно мультизадачные операционные системы предоставляют для выполненияi8086-программ "виртуальные машины i8086". Эти виртуальныемашины реализуются при помощи задач виртуального режима.
Операционная система может виртуализовать ресурсы компьютера -память, порты ввода/вывода, систему обработки прерываний. Приэтом программа, ориентированная на реальный режим MS-DOS получаетв своё распоряжение ресурсы, которые она воспринимает как физические.
Виртуализация памяти заключается в преобразовании адреса форматареального режима <сегмент:смещение> в линейный, а затеми физический с использованием схемы преобразования адресов защищённогорежима. В этом случае программе предоставляется 1 мегабайт памяти,который может быть расположен в любом месте физической памятикомпьютера и может подвергаться свопингу на диск для реализациивиртуальной оперативной памяти. С точки зрения программы, работающейна виртуальной машине, адреса отображаются на этот 1 мегебайтпамяти так, как будто бы это была физическая память компьютера.
Виртуализация ввода/вывода основана на том, что такие команды,как IN, OUT, INS, OUTS, CLI, STI чувствительны к текущему уровнюIOPL. Так как обычно виртуальная машина работает в непривилегированномтретьем кольце защиты, выдача этих команд программой в виртуальномрежиме приводит к исключению. Операционная система может эмулироватьдействие этих команд безопасным для себя образом, что однако можетпривести к существенному замедлению работы виртуальной машины.
Виртуализация прерываний основана на выходе процессора из виртуальногорежима и возврате в защищённый при возникновении прерываний. Привозникновении прерывания управление получает обработчик защищённогорежима, установленный операционной системой. Операционная системаможет эмулировать функции соответствующего обработчика реальногорежима, например, функции обработчика прерывания INT 21h MS-DOSили BIOS.
Процессоры i80386 и i80486 могут легко переключаться из реальногорежима в защищённый и обратно с помощью команды MOV. Младший битPE системного регистра CR0 (см. приложение) определяет текущийрежим работы процессора. Если этот бит установлен в 1, процессорработает в защищённом режиме, а если в 0 - в реальном.
Для переключения процессора из реального режима в защищённый можноиспользовать, например, такую последовательность команд:
mov ax,cr0 or ax,1 mov cr0,ax
Для совместимости с процессором i80286 оставлена возможность переключенияв защищённый режим с помощью команды LMSW.
Для возврата в реальный режим необходимо сбросить бит PE:
mov ax,cr0 and ax, 0fffe mov cr0,ax
Таким образом, существует более красивый способ возврата в реальныйрежим, чем выполнение аппаратного сброса или перевод процессорав состояние отключения (конечно, вы по-прежнему можете пользоватьсястарым способом перевода процессора в реальный режим).
Перед переключением в реальный режим из защищённого программадолжна выполнить следующие действия:
- обеспечить равенство линейных адресов физическим;
- отключить трансляцию страниц, сбросив бит PG в регистре CR0;
- загрузить ноль в регистр CR3 для сброса кэш-памяти страниц;
- передать управление сегменту кода с пределом 64 килобайта;
- загрузить в сегментные регистры SS, DS, ES, FS, GS селекторыдескрипторов, подготовленных для адресации памяти в реальном режимеи содержащих соответствующие реальному режиму значения;
- запретить маскируемые и немаскируемые прерывания;
- сбросить бит PE, переключив процессор в реальный режим;
- выполнить команду дальнего перехода для очистки внутреннейочереди команд процессора;
- настроить систему прерываний для работы в реальном режиме;
- разрешить прерывания;
- загрузить в сегментные регистры значения, необходимые дляработы в реальном режиме.
Как видите, процедура возврата в реальный режим сильно упростиласьи ускорилась по сравнению с использованной для процессора i80286.Однако большинство программ, переключившись в защищённый режим,никогда больше не возвращаются назад. Они либо всё время работаютв защищённом режиме, либо переключаются в режим виртуального процессора8086.
В этом разделе мы очень кратко опишем последнее на момент написанияданной книги достижение фирмы Intel - процессор i80486. Этот 32-разрядныйбыстродействующий процессор специально предназначен для работымультизадачных операционных систем, таких как UNIX или OS/2.
Процессор i80486 полностью совместим с более ранними моделями- i8086, i80286, i80386, но в тоже время обладает существенноболее высоким быстродействием. Наиболее часто встречающиеся впрограммах команды выполняются за один машинный цикл. На кристаллепроцессора находится 8-килобайтный кэш оперативной памяти, обеспечивающийвысокую производительность даже при использовании относительномедленной памяти.
Кроме того, процессор i80486 содержит встроенный 32-разрядныйарифметический сопроцессор, значительно увеличивающий скоростьвыполнения арифметических команд.
С точки зрения прикладного программиста процессор i80486 практическине отличается от процессора i80386 (за исключением более высокойпроизводительности). Все отличия касаются только системного уровня.Так как программирование процессора i80486 на системном уровне- достаточно сложный процесс, мы не станем описывать этот процессорво всех подробностях. Как правило, большинство программистов никогдане работают с системными регистрами процессоров i80386 и i80486,оставляя эту работу операционной системе или драйверам расширеннойпамяти.
В процессоре i80486 стали определены некоторые, зарезервированныеранее в процессоре i80386, биты регистров CR0, CR3, EFLAGS, естьнекоторые новшества в таблицах страниц, новое исключение и нескольконовых команд.
В регистре CR0 стали определены пять новых битов - NE, WP, AM,NW, CD.
В регистре CR3 определены два новых бита - PCD и PWT.
В регистре EFLAGS появился новый флаг AC (бит 18). Этот бит вместес битом AM регистра CR0 контролирует проверку выравнивания объектовв памяти.
Форматы системных регистров CR0 и CR3 для процессора i80486, атакже регистра EFLAGS описаны в приложении.
Новое исключение касается проверки выравнивания и имеет номер17. Оно возникает при попытке обращения к данным, не выровненнымв памяти. Для того, чтобы при обращении к не выровненному операндув памяти произошло исключение контроля выравнивания, должны бытьустановлены флаг AC в регистре EFLAGS и бит AM в управляющем регистреCR0.
Заметим, что исключение контроля выравнивания генерируется тольков программах, работающих в третьем, непривилегированном кольце.
Добавились три команды, предназначенные для использования прикладнымипрограммами - BSWAP, XADD, CMPXCHG, а также три новые системныекоманды, управляющие кэшем и TLB - INVD, WBINVD, INVLPG. Новыекоманды облегчают и ускоряют работу с семафорами, что очень важнодля мультизадачных операционных систем.
Есть также некоторые изменения в формате команды MOV, используемойдля доступа к тестовым регистрам. Появились новые регистры дляработы с кэшем.
В целом можно отметить, что архитектура процессора i80486 не претерпелареволюционных изменений по сравнению с процессором i80386. Поэтомув большинстве случаев прикладной программист может считать, чтопроцессор i80486 - это очень быстрый вариант процессора i80386.
В 1993 году должен появиться новый процессор - i80586. Предполагается,что он по своей производительности сможет составить реальную конкуренциюRISC-процессорам, используемым в рабочих станциях типа SUN. ФирмаIntel пока хранит в секрете подробности архитектуры нового процессора,поэтому мы можем только догадываться о его возможностях.
Учитывая преёмственность во всех процессорах, разрабатываемыхфирмой Intel начиная с модели i8080, можно предполагать, что этотсуперсовременный скоростной процессор будет способен выполнятьпрограммы, разработанные когда-то для процессора i8086, причёмс необычайно высокой скоростью!
