16. Процесор і80286. Реальний і захищений режим роботи.

Второе поколение процессоров: Р2 (286)

Процессор 286

Для процессора 80286 (или просто 286) проблем с совместимостью, характерных для 80186 и 80188, не существует. Он появился в 1981 году, и на его основе был создан компьютер IBM AT. Затем он был установлен в первых PS/2 моделей 50 и 60 (более поздние модели PS/2 строились на базе процессоров 386 и 486). Несколько фирм освоило выпуск аналогов (так называемых клонов IBM), многие из которых являлись компьютерами класса AT.

Выбор процессора 286 (рис. 3.25) в качестве основы для компьютера AT объяснялся его совместимостью с процессором 8088, т.е. все разработанные для IBM PC и XT программы подходили и для AT. Процессор 286 имеет более высокое быстродействие, чем его предшественники, что и объясняет широкое распространение этих компьютеров в деловом мире. Производительность первого компьютера AT с тактовой частотой 6 МГц в пять раз превышала производительность IBM PC (4,77 МГц).

Главная причина столь высокой производительности компьютеров с процессором 286 состоит в том, что команды выполняются в среднем за 4,5 такта (сравните с 12 тактами в процессоре 8088). Кроме того, благодаря 16-разрядной внешней шине вдвое возросла скорость обмена данными.

Еще одной причиной успеха компьютеров AT стало увеличение тактовой частоты процессо¬ра. Существуют его разновидности с тактовыми частотами 6, 8, 10, 12, 16 и 20 МГц. У прежних процессоров она не превышала 8 МГц. Но даже при одинаковых тактовых частотах (варианты с частотой 8 МГц существуют и для процессора 8086, и для процессора 286) производительность последнего приблизительно в три раза выше.

Процессор 286 может работать в двух существенно отличающихся друг от друга режимах — реальном и защищенном. В реальном режиме он эквивалентен процессору 8086 и совместим по объектному коду с процессорами 8086 и 8088. Это означает, что он может выполнять предназначенные для них программы и системные команды без модификации.

Процессор 286 в защищенном режиме — это совершенно новая модель. Если выполняемая программа написана с расчетом на его новые возможности, то ей доступна виртуальная память до 1 Гбайт, хотя процессор может адресовать только 16 Мбайт реальной памяти. Существенный недостаток процессора 286 в том, что он не может переключаться из защищенного режима в реальный без предварительного аппаратного сброса, т.е. горячей перезагрузки компьютера. Переключение из реального режима в защищенный происходит без сброса. Поэтому основным преимуществом процессора 386 стала именно возможность программного переключения из реального режима в защищенный и наоборот.

До появления оболочки Windows 3.0, в которой предусмотрен так называемый стандартный режим, совместимый с микропроцессором 286, было очень мало программ, использующих все его возможности. Но к этому моменту наиболее популярным стал процессор 386. Однако надо отдать должное создателям процессора 286, предпринявшим первую попытку построить многозадачный процессор, который мог бы выполнять сразу несколько программ. Он был спроектирован так, что при зависании одной из программ не нужно было перезагружать всю систему горячим (сброс) или холодным (отключение и включение питания) способом. Теоретически происходящее в одной области памяти не должно сказываться на работе других программ. Однако для полной изоляции многозадачных программ друг от друга процессор 286 и последующие модели должны работать с операционной системой, которая обеспечивает такую защиту.

Реальный режим

В первоначальном IBM PC использовался процессор 8088, который мог выполнять 16-разрядные команды, применяя 16-разрядные внутренние регистры, а адресовать только 1 Мбайт памяти, используя 20 разрядов для адреса. Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено для этого процессора; оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели памяти объемом 1 Мбайт. Например, DOS, все программное обеспечение DOS, Windows от 1.x до 3.x и все приложения для Windows от 1.x до 3.x написаны в расчете на 16-разрядные команды. Эти 16-разрядные операционные системы и приложения были разработаны для выполнения на первоначальном процессоре 8088.

Более поздние процессоры, например 286, могли также выполнять те же самые 16-разрядные команды, что и первоначальный 8088, но намного быстрее. Другими словами, процессор 286 был полностью совместим с первоначальным 8088 и мог выполнять все 16-разрядные программы точно так же, как 8088, но, конечно же, значительно быстрее. Шестнадцатиразрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров 8088 и 286, был 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 Мбайта. Для программного обеспечения этого типа обычно используется однозадачный режим, т.е. одновременно может выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти одной программы или даже операционной системы другой программой; это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной из них, а это может привести всю систему к краху (или останову).

Защищенный режим

Первым 32-разрядным процессором, предназначенным для PC, был 386-й. Этот чип 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 назывался защищенным, 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 так легко повредить другие программы или операционную систему. Кроме того, программу, "потерпевшую крах", можно довольно просто завершить без ущерба для всей системы.

Зная, что разработка новых операционных систем и приложений, использующих преимущества 32-разрядного защищенного режима, займет некоторое время, Intel предусмотрела в процессоре 386 обратно совместимый реальный режим. Благодаря этому процессор 386 мог выполнять немодифицированные 16-разрядные операционные системы и приложения. Причем они выполнялись намного быстрее, чем на любом процессоре предыдущего поколения. Для большинства пользователей этого было достаточно; им не требовалось все 32-разрядное программное обеспечение — достаточно было того, чтобы имевшиеся у них 16-разрядные программы работали быстрее. К сожалению, из-за этого процессор никогда не работал в 32-разрядном защищенном режиме, и все возможности такого режима не использовались.

Когда высокопроизводительный процессор, подобный Pentium III, работает в реальном режиме, он напоминает "Turbo 8088". Слово “Turbo" означает, что процессор имеет преимущество в быстродействии при выполнении 16-разрядных программ; хотя он может выполнять только 16-разрядные команды и обращаться к памяти в пределах все того же 1 Мбайт, предусмотренного картой памяти процессора 8088. Поэтому, даже если у вас система с Pentium III и оперативной памятью емкостью 128 Мбайт, при выполнении Windows 3.x или DOS в дей¬ствительности используется только первый мегабайт памяти, а остальные 127 практически не применяются.

Поэтому были необходимы новые операционные системы и приложения, которые бы выполнились на современных процессорах в 32-разрядном защищенном режиме. Однако некоторые пользователи поначалу сопротивлялись всяческим попыткам перехода к 32-разрядной среде.

Из-за этого сопротивления 32-разрядные операционные системы типа UNIX, OS/2 и даже Windows NT вначале очень вяло продвигались на рынке PC. Из всех перечисленных систем только Windows NT, вероятно, была близка к коммерческому успеху, да и то благодаря огромной популярности семейства операционных систем Windows 9x. Последней полностью 16-разрядной операционной системой была Windows 3.x. Правда, на самом деле она не была полной операционной системой, а выполнялась как надстройка над DOS.

В Microsoft поняли, насколько упрямы пользователи компьютеров, и разработали Windows 95 как промежуточную систему для перехода в 32-разрядный мир. Windows 95 — в основном 32-разрядная операционная система, но в ней можно выполнять старые 16-разрядные приложения. Windows 95 появилась в августе 1995 года, т.е. через 10 лет после появления первого 32-разрядного процессора для PC. Потребовалось "всего лишь" 10 лет, чтобы внедрить программное обеспечение, которое может полностью использовать процессоры!