Виртуальный режим 8086 в микропроцессорах Intel 80386 и выше.

Введение

Особенность конкретного микропроцессора

В микропроцессоре 80386 и более поздних версиях виртуальный режим 8086 (также называемый виртуальным реальным режимом, режимом V86 или VM86) позволяет выполнять приложения, разработанные для реального режима, которые не могут работать напрямую в защищенном режиме, при том что процессор работает под управлением операционной системы в защищенном режиме. Это аппаратная технология виртуализации, которая позволила чипу 386 эмулировать работу нескольких процессоров 8086. Она появилась в результате неудачного опыта работы с защищенным режимом 80286, который сам по себе не обеспечивал эффективного одновременного запуска приложений реального режима. Джон Кроуфорд разработал бит виртуального режима в наборе регистров, что позволило создать эту среду. Режим VM86 использует схему сегментации, идентичную схеме реального режима (для обеспечения совместимости), которая формирует 20-битные линейные адреса аналогично тому, как 20-битные физические адреса формируются в реальном режиме, но при этом эти адреса подвергаются механизму страничной организации памяти защищенного режима.

Обзор

Виртуальный режим 8086 — это режим для задачи защищенного режима. Следовательно, процессор может переключаться между задачами VM86 и не-VM86, обеспечивая многозадачность устаревших приложений (DOS). Для использования виртуального режима 8086 операционная система настраивает виртуальный монитор режима 8086, который представляет собой программу, управляющую программой реального режима и эмулирующую или фильтрующую доступ к системным аппаратным и программным ресурсам. Монитор должен работать на уровне привилегий 0 и в защищенном режиме. Только программа 8086 выполняется в режиме VM86 и на уровне привилегий 3. Когда программа в реальном режиме пытается выполнить такие действия, как доступ к определенным портам ввода-вывода для использования аппаратных устройств или доступ к определенным областям в своем адресном пространстве, процессор перехватывает эти события и вызывает монитор V86, который анализирует, что пытается сделать программа реального режима, и либо выступает в качестве посредника для взаимодействия с аппаратным обеспечением, эмулирует предполагаемую функцию, к которой программа реального режима пыталась получить доступ, либо завершает программу реального режима, если она пытается выполнить что-то, что не может быть разрешено или адекватно поддержано (например, перезагрузить систему, установить видеорежим, который не поддерживается аппаратным обеспечением и не эмулируется, или перезаписать код операционной системы). Монитор V86 также может мягко отказывать в разрешении, имитируя отказ запрошенной операции — например, он может заставить дисковый накопитель всегда казаться недоступным, даже не проверяя его, а просто запрещая программе реального режима доступ к нему. Кроме того, монитор V86 может выполнять такие действия, как сопоставление страниц памяти, перехват вызовов и прерываний, и прерывать программу реального режима, позволяя программам реального режима выполняться в многозадачном режиме, как и программы защищенного режима. Перехватывая аппаратные и программные операции ввода-вывода программы реального режима и отслеживая состояние, которое ожидает программа V86, он может позволить нескольким программам совместно использовать одно и то же оборудование, не мешая друг другу. Таким образом, режим V86 предоставляет возможность для программ реального режима, предназначенных для однозадачной среды (например, DOS), выполняться одновременно в многозадачной среде.

The virtual 8086 mode is a mode for a protected mode task. Consequently, the processor can switch between VM86 and non VM86 tasks, enabling multitasking legacy (DOS) applications. To use virtual 8086 mode, an operating system sets up a virtual 8086 mode monitor, which is a program that manages the real mode program and emulates or filters access to system hardware and software resources. The monitor must run at privilege level 0 and in protected mode. Only the 8086 program runs in VM86 mode and at privilege level 3. When the real mode program attempts to do things like access certain I/O ports to use hardware devices or access certain regions in its memory space, the CPU traps these events and calls the V86 monitor, which examines what the real mode program is trying to do and either acts as a proxy to interface with the hardware, emulates the intended function the real mode program was trying to access, or terminates the real mode program if it is trying to do something that cannot either be allowed or be adequately supported (such as reboot the machine, set a video display into a mode that is not supported by the hardware and is not emulated, or write over operating system code). The V86 monitor can also deny permission gently by emulating the failure of a requested operation—for example, it can make a disk drive always appear not ready when in fact it has not even checked the drive but simply will not permit the real mode program to access it. Also, the V86 monitor can do things like map memory pages, intercept calls and interrupts, and preempt the real mode program, allowing real mode programs to be multitasked like protected mode programs. By intercepting the hardware and software I/O of the real mode program and tracking the state that the V86 program expects, it can allow multiple programs to share the same hardware without interfering with each other. So V86 mode provides a way for real mode programs designed for a single tasking environment (like DOS) to run concurrently in a multitasking environment.

Адресация памяти и прерывания

Наиболее распространенная проблема при запуске кода 8086 из защищенного режима — это адресация памяти, которая существенно отличается в защищенном и реальном режимах. Как уже упоминалось, при работе в режиме VM86 механизм сегментации перенастраивается для работы аналогично реальному режиму, однако механизм страничной организации памяти остается активным и не виден коду реального режима; таким образом, защита памяти и изоляция адресного пространства сохраняются. При возникновении прерываний (аппаратных, программных и вызванных инструкцией int) процессор отключает режим VM86 и возвращается к работе в полноценном защищенном режиме для обработки прерывания. Кроме того, перед обработкой прерывания регистры DS, ES, FS и GS сохраняются в новом стеке и обнуляются.

Расширения режима Virtual-8086 (VME)

Архитектура Pentium добавила ряд улучшений в виртуальный режим 8086. Однако Intel документировал их только начиная с последующей микроархитектуры P6; их более позднее официальное название – Virtual 8086 Mode Extensions, сокращенно VME (в более старой документации может использоваться "улучшения виртуального режима 8086" как расшифровка акронима VME). Эти улучшения в основном направлены на снижение накладных расходов виртуализации 8086, с особым упором на (виртуальные) прерывания. До публичной документации расширений в документации P6, официальная документация ссылалась на знаменитое Приложение H, которое было исключено из публичного доступа и предоставлялось только избранным партнерам под NDA. Активация VME выполняется установкой бита номер 0 (со значением 0x1) регистра CR4. Поскольку улучшения скорости обработки прерываний VME оказались полезными и для защищенных задач, не использующих VM86, их также можно включить отдельно, установив только бит номер 1 (со значением 0x2), что называется PVI (Protected Mode Virtual Interrupts). Процессоры второго поколения Ryzen (серия 2000) устранили эту проблему.

Поддержка 64-битных и VMX

Режим виртуального 8086 недоступен в 64-битном режиме x86 64, хотя он по-прежнему присутствует на процессорах, поддерживающих x86 64, работающих в устаревшем режиме. Intel VT-x возвращает возможность запуска режима виртуального 8086 из 64-битного режима x86 64, но для этого необходимо перевести (физический) процессор в корневой режим VMX и запустить логический (виртуальный) процессор, работающий в режиме виртуального 8086. Процессоры Westmere и более поздние процессоры Intel обычно могут запускать виртуальный процессор непосредственно в реальном режиме, используя функцию "неограниченный гость" (которая сама по себе требует расширенные таблицы страниц); этот метод избавляет от необходимости использовать вложенный режим виртуального 8086 просто для запуска устаревшей BIOS при загрузке. AMD-V также поддерживает режим виртуального 8086 в гостевых системах, но может просто запустить гостя в "страничном реальном режиме", выполнив следующие шаги: создайте гостя в режиме SVM (Secure Virtual Machine) с CR0.PE=0, но CR0.PG=1 (то есть с отключенным защищенным режимом, но включенной страничной организацией памяти), что обычно невозможно, но разрешено для гостевых систем SVM, если хост перехватывает ошибки страниц.