Tryb chroniony

Tryb chroniony (ang. protected mode) – tryb pracy mikroprocesorów o architekturze x86 wprowadzony po raz pierwszy w modelu Intel 80286. Tryb chroniony umożliwia adresowanie pamięci przekraczającej wielkość 1 MB, który to limit obowiązywał w trybie rzeczywistym procesora, oraz wprowadza wiele nowych udogodnień wspierających wielozadaniowość, m.in. takich jak:

• segmentacja pamięci,
• stronicowanie pamięci,
• sprzętowa ochrona pamięci (układ MMU),
• wywłaszczanie procesów,
• wsparcie w przełączaniu kontekstu procesora/rdzenia.

Większość nowoczesnych systemów operacyjnych wykorzystuje procesory serii x86 właśnie w trybie chronionym. Zaliczają się do nich m.in.: Linux, Windows w wersji 3.0 i wyższych, systemy z rodziny BSD.

Tryb chroniony został wprowadzony do mikroprocesora Intel 80286^[1], który jest procesorem 16-bitowym, z 24-bitową szyną adresową (może zaadresować 16 MB pamięci RAM)^[2]. Posiada on także tryb rzeczywisty (ang. real mode) dla zachowania zgodności z poprzednimi mikroprocesorami rodziny x86^[1]. Mikroprocesor Intel 80286 w trybie chronionym wykorzystuje mechanizm segmentacji. 16-bitowe rejestry segmentowe CS, SS, DS, ES, w trybie chronionym zawierają selektor deskryptora (numer deskryptora)^[3], który określa deskryptor segmentu, będący 8-bajtową strukturą w pamięci opisującą dany segment. Deskryptor zawiera informacje o segmencie: fizyczna lokalizacja segmentu w pamięci (24-bitowy adres bazowy, 16-bitowa długość segmentu w bajtach), prawa dostępu do segmentu, jego typ itp^[4]. W trybie rzeczywistym rejestry segmentowe CS, SS, DS, ES zawierają adresy bazowe (początków) segmentów. Procesor rozpoczyna swoją pracę w trybie chronionym od ustawienia bitu PE (ang. Protection Enable) na jeden i wykonaniu dalekiego skoku^[5]; wyzerowanie tego bitu powoduje powrót do trybu rzeczywistego^[2] – bit PE to najmłodszy bit rejestru CR0 (ang. Control Register).

Procesory Intel 80386 i jego następcy posiadają już 32-bitowy tryb chroniony, w którym można zaadresować do 4 GB pamięci RAM^[2]. Obsługują one 32-bitowy tryb segmentacji, będący rozwinięciem tego znanego z procesora Intel 80286 o dodatkowe pola w deskryptorach segmentów (m.in. 32-bitowy adres bazowy, 20-bitowa długość segmentu w bajtach, granulacja). Najważniejszą jednak cechą nowszych procesorów jest obsługa trybu stronicowania pamięci^[6], który jest wykorzystywany w nowych systemach operacyjnych^[7] i pozwala na całkowitą izolację procesów we własnej wirtualnej przestrzeni adresowej o rozmiarze do 4 GB (tzw. tryb chroniony z wywłaszczeniem). Ponadto istnieje możliwość użycia stronicowania pamięci w trybie z segmentacją^[8], co zwiększa bezpieczeństwo procesów i systemu operacyjnego korzystającego z segmentacji oraz ułatwia zarządzanie samą pamięcią^[9].