Chránený režim

Pozri aj: Intel 80286

Prvotný chránený režim, vydaný s 286, sa nedočkal širšieho využitia. Bránili tomu nedostatky, ako neschopnosť prístupu k BIOS-u a neschopnosť prepnúť späť do reálneho režimu bez resetovania procesoru.[12] Toto bolo brzdené faktom, že 286 dovoľovala prístup k pamäti v 16 bitoch, 2¹⁶ bajtov, ekvivalent k 64 kilobajtom, prístupných v čase.[11]

Spätná kompatibilita s predchodcami 8086 bola zachovaná tým, že pri štarte sa inicializoval reálny režim.[6] Reálny režimu umožňoval starším programom bežať bez modifikácie na novších 286. Pre prístup k doplňujúcim funkciám 286, operačný systém nastavoval procesor do chráneného režimu. Toto umožnilo 24 bitovú adresáciu, ktorá dovoľovala procesoru pristupovať k 2²⁴ bajtov pamäti, teda 16 megabajtov.[9]

Intel 80386 microprocesor

Pozri aj: Intel 80386

S vydaním 386 v roku 1985,[3] mnoho problémov zabránilo rozsiahlemu prijatiu predchádzajúceho chráneného režimu.[11]

386 vydali s adresovou zbernicou veľkosti 32 bitov, ktorá dovoľuje prístup do 2³¹ bajtov pamäti, ekvivalent ku 4 gigabajtom.[13] Pre zmapovanie segmentov pamäte využíva procesor Global Descriptor Table (GDT) alebo Local Descriptor Table (LDT), sú v nich obsiahnuté 64 bitové (8 bajtové) záznamy v ktorých je zapísaný typ, pozícia, limit segmentu a prístupové práva (Protection Rings). Do segmentových registrov sa presúva len ofset záznamu od začiatku tabuľky. Po presunutí hodnoty do seg. registra procesor automaticky načíta záznam z GDT/LDT do neviditeľnej časti segmentového registra (base, limit). Ak je popisovač chybný, alebo ak sa aplikácia vo väčšom ochrannom kruhu snaží pristúpiť k segmentu s nižším procesor aktivuje prerušenie 10 (Invalid TSS), 11 (Segment Not Present), 12 (Stack-segment fault) alebo 13 (General Protection Fault).[13] Navyše k zvýšeniu veľkosti adresovej zbernice a segmentom registrov, mnoho iných nových rysov bolo pridaných so zámerom väčšej operačnej bezpečnosti a stability. PAE PSE NX bit [14]

Chránený režim je teraz využívaný doslova vo všetkých moderných operačných systémov, ktoré fungujú na x86 architektúre, napr. Microsoft Windows, Linux, a mnoho iných.[15]

Príklad použitia privilegovaných prstencov v klasickom operačnom systéme.

Pozri aj: Prstence (bezpečnosť počítača)

V chránenom režime existujú 4 privilegované úrovne alebo prstence, začínajú od 0 po 3, kde prstenec 0 je najprivilegovanejší a 3 najmenej privilegovaný. Používanie prstencov dovoľuje programovému vybaveniu obmedziť úlohy z prístupneních dát, volacie brány alebo vykonávať privilegované inštrukcie.[18]

Vo väčšine prostredí, operačné systémy a niektoré ovládače zariadení bežia v prstenci 0 a aplikácie bežia v prstenci 3.[18]

Z najväčšej časti, binárna kompatibilita s kódom reálneho režimu, schopnosť k prístupu až 16 MB fyzickej pamäti a 1GB virtuálnej pamäti boli najväčšie zmeny na programových aplikáciách.[19] Ale neprebiehalo to bez limitácií, ak aplikácia využila alebo sa spoliehala na niektoré techniky uvedené nižšie nebežala:[20]

• Aritmetika segmentu
• Privilegované inštrukcie
• Priamy hardwarový prístup
• Písanie do časti kódu
• Dáta vykonávania
• Segmenty prekrývania
• Použitie bios-ových funkcií, pretože bios-ové prerušenia patria Intel-u[21]

V skutočnosti takmer všetky DOS aplikačné programy porušili tieto pravidlá.[22] Kvôli týmto obmedzeniam bol vytvorený virtuálny 8086 režim a povolený s 386. I napriek takýmto potencionálnym prekážkam, Windows 3.x a jeho nástupcovia môžu využívať binárnu zlučiteľnosť s reálnym režimom pri spustení aplikácii Windows 2.x, ktoré bežali v reálnom režimu vo Windows 2.x.[23]

S vydaním 386, chránený režim predviedol niečo, čo manuály Intel-u nazvali virtuálny 8086 režim. Virtuálny 8086 režim je navrhnutý, aby dovoľoval kódu predtým písanému pre 8086 fungovať bez prevádzkových modifikácii a súbežne s inými úlohami, bez znižovania bezpečnosti alebo stability systému.[24] Virtuálny 8086 režim nie je spätne zlučiteľný so všetkými programy. Programy, ktoré vyžadujú manipuláciu segmentu, privilegované inštrukcie, priamy hardwarový prístup alebo používajú samomodifikačný kód, budú vytvárať výnimky a nebudú spustiteľné.[25] Navyše, aplikácie bežiace vo virtuálnom 8086 režime vytvárajú pasť s použitím inštrukcií, ktoré zahrňujú vstup/výstup (I/O), ktorý môže záporne ovplyvniť výkon.[26]

Kvôli týmto obmedzeniam mnoho programov pôvodne navrhnutých k behu na 8086 nemohli bežať vo virtuálnom 8086 režime. Dôsledkom čoho bol systémový program nútený buď ku kompromisnej sys-témovej bezpečnosti alebo k spätnej kompatibilite, ktorou sa zaoberá softwarové dedičstvo. Príklad takýchto kompromisov môže byť videný napríklad u Windows NT, ktorý vylúčil spätnú kompatibilitu pre mnoho DOS aplikácií.[27]

Bežný spôsob použitia stránkovania na vytvorenie priestoru virtuálnej pamäte

Okrem pridania do virtuálneho 8086 režimu, 386 pridal stránkovanie aj ku chránenému režimu.[28] Napriek stránkovaniu, systémový program môže obmedzovať a riadiť úlohový prístup ku stranám, ktoré sú súčasťou pamäte. V mnohých operačných systémoch, stránkovanie je používané k vytvoreniu nezávislého virtuálneho adresového priestoru pre každú úlohu. Toto bráni jednej úlohe v manipulovaní pamäte inej úlohy. Stránkovanie taktiež počíta s odstraňovaním strán z primárnej pamäte a na ukladanie na pomalejšiu a väčšiu druhotnú pamäť, ako pevný disk.[29] Architektúra x86 dovoľuje kontrolu nad stranami cez dve sady: adresár strany a tabuľky strany.

Pôvodne mal adresár strany veľkosť jednej strany, 4 KB, a obsahoval 1024 stránkových adresárových záznamov (PDE), aj keď nasledujúce vylepšenie architektúry x86 pridalo schopnosť používať väčšie veľkosti stránky. Každý PDE obsahuje ukazovateľa k tabuľke strany. Tabuľka strany mala tiež pôvodne 4KB a obsahovala 1024 stránkových tabuľkových záznamov (PTE). Každý PTE obsahoval ukazovateľ na skutočnú stránkovú fyzickú adresu a bol použitý len keď 4KB strany boli používané. V danom čase môže byť len jeden adresár strany v aktívnom využívaní.[30]

Od použitia prstencov, privilegované volacie brány a segmentu na uloženie stavu úlohy (TSS), predstavených spolu s 286, preemptive multitasking bol vyvíjaný na architektúre x86. TSS dovoľuje uni-verzálnym registrom, segmentovým selektorovým poliam a radom modifikáciu bez ovplyvňovania ďalších úloh. TSS taktiež dovoľuje úlohy privilegovaných úrovni a I/O portu byť nezávislý od ďalších úloh.

V mnohých operačných systémoch nie sú použité plné črty TSS.[31] Ako výsledok mnoho operačných systémov používa ako hardware tak aj software na vybudovanie multitaskingového systému.[32]