Режим виртуальных машин для исполнения приложений реального режима

Разработчики рассматриваемого семейства микропроцессоров в своем стремле­нии обеспечить максимально возможную совместимость архитектуры пошли не только на то, чтобы обеспечить возможность программам, созданным для первых 16-разрядных ПК, без проблем выполняться на компьютерах с более поздними моделями микропроцессоров за счёт введения реального режима работы. Они также обеспечили возможность выполнения 16-разрядных приложений реального режима при условии, что сам процессор при этом функционирует в защищённом режиме работы и операционная система, используя соответствующие аппаратные средства микропроцессора, организует мультипрограммный (мультизадачный) режим. Другими словами, микропроцессоры i80x86 поддерживают возможность создания операционных сред реального режима при работе микропроцессора в защищённом режиме. Если условно назвать 16-разрядные приложения DOS-приложениями (поскольку в абсолютном большинстве случаев это именно так), то можно сказать, что введена поддержка для организации виртуальных DOS-машин, работающих вместе с обычными 32-битовыми приложениями защищён­ного режима. Это даже нашло отражение в названии режима работы микропро­цессоров i80x86 – режим виртуального процессора i8086, иногда (для краткости) его называют режимом V86 или просто виртуальным режимом, – при котором в защищённом режиме работы может исполняться код DOS-приложения. Мультизадачность при выполнении нескольких программ реального режима будет поддержана аппаратными средствами защищённого режима.

Переход в виртуальный режим осуществляется посредством изменения бита VM (virtual mode) в регистре EFLAGS. Когда процессор находится в виртуальном режиме, для адресации памяти используется схема реального режима работы – (сегмент: смещение) с размером сегментов до 64 Кбайт, которые могут распола­гаться в адресном пространстве размером в 1 Мбайт, однако полученные адреса считаются не физическими, а линейными. В результате применения страничной трансляции осуществляется отображение виртуального адресного пространства 16-битового приложения на физическое адресное пространство. Это позволяет организовать параллельное выполнение нескольких задач, разработанных для реального режима, да ещё и совместно с обычными 32-битовыми приложениями, требующих защищённого режима работы. Естественно, что для обработки прерываний, возникающих при выполнении 16-битовых приложений в виртуальном режиме, процессор возвращается из этого режима в обычный защищённый режим. В противном случае невозможно было бы организовать полноценную виртуальную машину. Очевидно, что обработчи­ки прерываний для виртуальной машины должны эмулировать работу подсисте­мы прерываний процессора i8086. Другими словами, прерывания отображаются в операционную систему, работающую в защищённом режиме, и уже основная ОС моделирует работу операционной среды выполняемого приложения.

Вопрос, связанный с операциями ввода/вывода, которые недоступны для обыч­ных приложений (см. следующую главу), решается аналогично. При попытке выполнить недопустимые команды ввода/вывода возникают прерывания, и не­обходимые операции выполняются операционной системой, хотя задача об этом и «не подозревает». При выполнении команд IN, OUT, INS, OUTS, CLI, STI процессор, находящийся в виртуальном режиме и исполняющий код на уровне привилегий третьего (самого нижнего) кольца защиты, за счёт возникающих вследствие этого прерываний переводится на выполнение высоко привилегированного кода опе­рационной системы.

Таким образом, ОС может полностью виртуализировать ресурсы компьютера: и аппаратные1, и программные, создавая иную полноценную операционную сре­ду; при существовании так называемых нативных приложений, создаваемых по собственным спецификациям данной ОС. Очень важным моментом для органи­зации полноценной виртуальной машины является реализация виртуализации не только программных, но и аппаратных ресурсов. Так, например, в ОС Win­dows NT эта задача выполнена явно неудачно, тогда как в OS/2 имеется полно­ценная виртуальная машина как для DOS-приложений, так и для приложений, работающих в среде спецификаций Win 16. Правда, в последнее время это уже перестало быть актуальным, поскольку появилось большое количество приложе­ний, работающих по спецификациям Win32 API.