Программная модель МП-системы на основе процессора Pentium. Особенности организации памяти и допустимые способы адресации

Программная модель МП-системы на основе процессора Pentium

Важнейшей отличительной чертой процессора Pentium, как и других процессоров х86, является наличие двух основных режимов работы:  реального и защищенного. В реальном режиме процессор Pentium ведет себя как более быстродействующий модернизированный МП 8086. Повышение быстродействия процессора Pentium по сравнению с МП 8086 обеспечивается большей частотой синхронизации и усовершенствованной конвейерной обработкой. Все команды процессоров х86 включены в систему команд процессора Pentium, благодаря чему все ранее наработанное программное обеспечение без каких-либо изменений может быть реализовано и на более совершенном процессоре Pentium.

В защищенном режиме возможности процессора Pentium используются наиболее полно. При переключении в защищенный режим процессор Pentium полностью преображается, приобретая по сравнению с реальным режимом ряд совершенно новых характеристик и отличительных черт:

1. В защищенном режиме обеспечивается возможность обращаться к физической памяти, используя полную разрядность 32-битовой шины адреса, объемом 4 Гбайт. Кроме того, процессор Pentium, как и другие 32-разрядные процессоры х86, поддерживает работу с виртуальной памятью объемом 64 Тбайт.

При виртуальной адресации часть используемого адресного пространства располагается в основной  памяти, а другая его часть - на дисковой памяти. При отсутствии требуемой информации (команд или данных) в основной памяти автоматически под управлением операционной системы осуществляется  пересылка требуемых частей программы из дискового накопителя в основную память (отметим, что дисковая память примерно в 400 раз дешевле чем основная оперативная память). Для реализации виртуальной памяти, кроме аппаратных средств процессора, необходимы также мощные программные средства.        

2. В защищенном режиме процессор Pentium имеет встроенную аппаратную поддержку мультизадачных операционных систем, значительно ускоряющую и упрощающую процесс переключения задач. Эта поддержка активно используется всеми мультизадачными операционными системами и оболочками,  разработанными для IBM-совместимых персональных компьютеров. Режим мультизадачности обеспечивает возможность одновременного выполнения нескольких самостоятельных задач, которые могут иметь общие разделяемые всеми задачами ресурсы. Например, на экране компьютера  имеется несколько окон, каждое из которых соответствует конкретной задаче. Внешне представляется, что все задачи выполняются одновременно, однако фактически процессор с большой скоростью переключается с одной задачи на другую.

3. В защищенном режиме используется эффективный механизм защиты адресного пространства отдельных задач. Он базируется на введении иерархии привилегий и  оперативном контроле ряда параметров выполняемой задачи. Режим защиты обеспечивает изолирование каждой задачи в определенной области памяти, благодаря чему исключается нерегламентированный доступ одной задачи в адресное пространство другой. При этом прикладные программы, работающие под управлением операционной системы, в защищенном режиме не могут случайно или преднамеренно разрушить целостность самой операционной системы. Последнее замечание очень важно в виду того, что в реальном режиме, реализуемом под управлением MS-DOS, программа может осуществить запись по любым адресам памяти в пределах первого Мбайта. Поэтому ей ничего не стоит записать “что-нибудь” в область памяти, принадлежавшей самой операционной системе MS-DOS,  или испортить векторную таблицу прерываний и тем самым вызвать крах системы.

В защищенном режиме программа может записывать данные только в те области, которые выделены ей операционной системой, поэтому программные ошибки могут максимум навредить самой пользовательской программе. Эта особенность процессора значительно повышает надежность мультизадачных и, в частности, мультипользовательских операционных систем.

4. В защищенном режиме обеспечивается аппаратная поддержка различных операционных систем: MS DOS, UNIX, OS/2, XENIX, iRMX.

5.  В защищенном  режиме, кроме команд действительных для реального режима, используются некоторые специальные команды управления памятью.

6.  Подмножеством защищенного режима работы всех 32-разрядных процессоров х86 является режим V86 (Virtual Mode 86). Главной целью создания режима V86 является обеспечение полной аппаратно-программной эмуляции условий работы МП 8086 в защищенном режиме. Программы МП 8086, выполняемые в V-режиме, используют многие преимущества защищенного режима и его аппаратную поддержку: поддерживается страничная организация памяти и многозадачность, реализуется защита отдельных программ 8086;