الوضع المحمي

لم يُستخدم الوضع المحمي الأولي، الذي صدر مع معالج 286، على نطاق واسع؛ ^{[ 11 ]} فعلى سبيل المثال، استُخدم في أنظمة كوهيرنت (من عام 1982)، ^{[ 12 ]} ومايكروسوفت زينكس (حوالي عام 1984)، ^{[ 13 ]} ومينيكس . ^{[ 14 ]} وقد حالت عدة عيوب، مثل عدم القدرة على إجراء استدعاءات BIOS و DOS بسبب عدم إمكانية العودة إلى الوضع الحقيقي دون إعادة تشغيل المعالج، دون انتشار استخدامه على نطاق واسع. ^{[ 15 ]} كما أعاق قبوله حقيقة أن معالج 286 كان يسمح بالوصول إلى الذاكرة على شكل مقاطع بحجم 64 كيلوبايت ، يتم الوصول إليها بواسطة سجلات المقاطع الأربعة، مما يعني أنه لا يمكن الوصول إلا إلى 4 × 64 كيلوبايت ، أي ما يعادل 256 كيلوبايت، في المرة الواحدة. ^{[ 11 ]} لأن تغيير سجل القطاع في الوضع المحمي تسبب في تحميل واصف قطاع بحجم 6 بايت في وحدة المعالجة المركزية من الذاكرة، استغرقت تعليمات تحميل سجل القطاع عشرات دورات المعالج، مما جعلها أبطأ بكثير مما كانت عليه في 8086 و8088؛ لذلك، أصبحت استراتيجية حساب عناوين القطاعات أثناء التشغيل للوصول إلى هياكل البيانات الأكبر من 128 كيلوبايت (الحجم الإجمالي لقطاعي البيانات) غير عملية، حتى بالنسبة للمبرمجين القلائل الذين أتقنوها على 8086 و8088.   

حافظ المعالج 286 على التوافق مع المعالجين 8086 و8088 من خلال دخوله وضع التشغيل الحقيقي عند بدء التشغيل. ^{[ 4 ]} كان وضع التشغيل الحقيقي يعمل بشكل مطابق تقريبًا للمعالجين 8086 و8088، مما سمح بتشغيل غالبية البرامج الموجودة لتلك المعالجات دون تعديل على المعالج 286 الأحدث. كما كان وضع التشغيل الحقيقي بمثابة وضع أساسي لإعداد المعالج والبدء في وضع التشغيل المحمي. للوصول إلى الوظائف الموسعة للمعالج 286، كان نظام التشغيل يُنشئ جداول في الذاكرة تتحكم في الوصول إلى الذاكرة في وضع التشغيل المحمي، ويُعيّن عناوين تلك الجداول في سجلات خاصة بالمعالج، ثم يُفعّل وضع التشغيل المحمي. هذا يُتيح عنونة 24 بت، مما يسمح للمعالج بالوصول إلى 2^ ²⁴  بايت من الذاكرة، أي ما يعادل 16 ميجابايت . ^{[ 9 ]} 

مع إصدار معالج 386 عام 1985، ^{[ 7 ]} تمّت معالجة العديد من المشكلات التي كانت تحول دون انتشار استخدام الوضع المحمي السابق على نطاق واسع. ^{[ 11 ]} صدر معالج 386 بحجم ناقل عناوين يبلغ 32 بت، مما يسمح بالوصول إلى 2^ ³² بايت من الذاكرة، أي ما يعادل 4 جيجابايت . ^{[ 16 ]} كما تمّت زيادة أحجام القطاعات إلى 32 بت، مما يعني إمكانية الوصول إلى مساحة العناوين الكاملة البالغة 4 جيجابايت دون الحاجة إلى التبديل بين قطاعات متعددة. ^{[ 16 ]} بالإضافة إلى زيادة حجم ناقل العناوين وسجلات القطاعات، أُضيفت العديد من الميزات الجديدة الأخرى بهدف تعزيز أمان التشغيل واستقراره. ^{[ 17 ]} يُستخدم الوضع المحمي الآن في جميع أنظمة التشغيل الحديثة تقريبًا التي تعمل على بنية x86، مثل مايكروسوفت ويندوز ولينكس وغيرها الكثير. ^{[ 18 ]}

علاوة على ذلك، واستنادًا إلى الدروس المستفادة من إخفاقات وضع الحماية 286 في تلبية احتياجات تطبيقات DOS متعددة المهام، أضافت إنتل وضع 8086 افتراضيًا منفصلاً ، ^{[ 19 ]} مما سمح بمحاكاة معالجات 8086 افتراضية متعددة على معالج 386. ومع ذلك، كان على تقنية المحاكاة الافتراضية للأجهزة x86 اللازمة لمحاكاة وضع الحماية نفسه أن تنتظر 20 عامًا أخرى. ^{[ 20 ]}

في الوضع المحمي، توجد أربعة مستويات امتياز أو حلقات ، مرقمة من 0 إلى 3، حيث تمثل الحلقة 0 أعلى مستوى امتياز، بينما تمثل الحلقة 3 أدنى مستوى. يتيح استخدام الحلقات لبرامج النظام تقييد وصول المهام إلى البيانات، أو استدعاء البوابات ، أو تنفيذ التعليمات ذات الامتيازات. ^{[ 27 ]} في معظم البيئات، يعمل نظام التشغيل وبعض برامج تشغيل الأجهزة في الحلقة 0، بينما تعمل التطبيقات في الحلقة 3. ^{[ 27 ]}

وفقًا لدليل مرجع مبرمج Intel 80286 ، ^{[ 28 ]}

يظل المعالج 80286 متوافقًا مع معظم برامج التطبيقات الخاصة بالمعالجين 8086 و80186. ويمكن إعادة تجميع معظم برامج التطبيقات الخاصة بالمعالج 8086 وتشغيلها على المعالج 80286 في الوضع المحمي.

في معظم الأحيان، كانت التوافقية الثنائية مع التعليمات البرمجية في الوضع الحقيقي، والقدرة على الوصول إلى ما يصل إلى 16 ميجابايت من الذاكرة الفعلية، و1 جيجابايت من الذاكرة الافتراضية ، أبرز التغييرات التي طرأت على مبرمجي التطبيقات. ^{[ 29 ]} لم يكن هذا التغيير خاليًا من القيود. فإذا استخدم تطبيق ما أيًا من التقنيات التالية أو اعتمد عليها، فلن يعمل: ^{[ 30 ]}

• حساب القطع
• تعليمات خاصة
• الوصول المباشر إلى الأجهزة
• الكتابة إلى جزء من التعليمات البرمجية
• تنفيذ البيانات
• أجزاء متداخلة
• استخدام وظائف BIOS، نظرًا لأن مقاطعات BIOS محجوزة من قبل Intel ^{[ 31 ]}

في الواقع، انتهكت جميع برامج تطبيقات DOS تقريبًا هذه القواعد. ^{[ 32 ]} ونظرًا لهذه القيود، تم تقديم وضع 8086 الافتراضي مع معالج 386. وعلى الرغم من هذه النكسات المحتملة، يمكن لنظام التشغيل Windows 3.0 والإصدارات اللاحقة الاستفادة من التوافق الثنائي مع الوضع الحقيقي لتشغيل العديد من تطبيقات Windows 2.x ( Windows 2.0 و Windows 2.1x ) في الوضع المحمي، والتي كانت تعمل في الوضع الحقيقي في Windows 2.x. ^{[ 33 ]}

مع إصدار معالج 386، يوفر الوضع المحمي ما تسميه كتيبات إنتل " وضع 8086 الافتراضي" . صُمم وضع 8086 الافتراضي للسماح بتشغيل التعليمات البرمجية المكتوبة مسبقًا لمعالج 8086 دون تعديل وبالتزامن مع مهام أخرى، دون المساس بالأمان أو استقرار النظام. ^{[ 34 ]}

مع ذلك، لا يتوافق وضع 8086 الافتراضي تمامًا مع جميع البرامج. فالبرامج التي تتطلب معالجة المقاطع، أو تعليمات ذات امتيازات خاصة، أو الوصول المباشر إلى المكونات المادية، أو استخدام تعليمات برمجية ذاتية التعديل، ستُنتج استثناءً يجب على نظام التشغيل معالجته. ^{[ 35 ]} إضافةً إلى ذلك، تُنتج التطبيقات التي تعمل في وضع 8086 الافتراضي خطأً عند استخدام تعليمات تتضمن عمليات الإدخال/الإخراج ، مما قد يؤثر سلبًا على الأداء. ^{[ 36 ]}

بسبب هذه القيود، لا يمكن تشغيل بعض البرامج المصممة أصلاً للعمل على معالج 8086 في وضع 8086 الافتراضي. ونتيجةً لذلك، يُضطر نظام التشغيل إما إلى التنازل عن أمان النظام أو عن التوافق مع الإصدارات السابقة عند التعامل مع البرامج القديمة . ومن الأمثلة على هذا التنازل إصدار نظام التشغيل Windows NT ، الذي ألغى التوافق مع الإصدارات السابقة لتطبيقات DOS "غير المتوافقة". ^{[ 37 ]}

بالإضافة إلى إضافة وضع 8086 الافتراضي، أضاف معالج 386 أيضًا خاصية الترحيل إلى الوضع المحمي. ^{[ 39 ]} من خلال الترحيل، يستطيع برنامج النظام تقييد والتحكم في وصول المهام إلى الصفحات، وهي أقسام من الذاكرة. في العديد من أنظمة التشغيل، يُستخدم الترحيل لإنشاء مساحة عناوين افتراضية مستقلة لكل مهمة، مما يمنع مهمة من التلاعب بذاكرة مهمة أخرى. كما يسمح الترحيل بنقل الصفحات من وحدة التخزين الرئيسية إلى وحدة تخزين ثانوية أبطأ وأكبر حجمًا ، مثل القرص الصلب . ^{[ 40 ]} وهذا يتيح استخدام ذاكرة أكبر من المتاحة فعليًا في وحدة التخزين الرئيسية. ^{[ 40 ]}

تتيح بنية x86 التحكم في الصفحات من خلال مصفوفتين : أدلة الصفحات وجداول الصفحات . في الأصل، كان حجم دليل الصفحة يعادل حجم صفحة واحدة، أي أربعة كيلوبايت، ويحتوي على 1024 مدخلًا في دليل الصفحة (PDE)، إلا أن التحسينات اللاحقة على بنية x86 أضافت إمكانية استخدام أحجام صفحات أكبر. يحتوي كل مدخل في دليل الصفحة على مؤشر إلى جدول صفحات. كما كان حجم جدول الصفحات في الأصل أربعة كيلوبايت أيضًا، ويحتوي على 1024 مدخلًا في جدول الصفحات (PTE). يحتوي كل مدخل في جدول الصفحات على مؤشر إلى العنوان الفعلي للصفحة، ويُستخدم فقط عند استخدام صفحات بحجم أربعة كيلوبايت. في أي وقت، لا يمكن استخدام سوى دليل صفحات واحد بشكل فعلي. ^{[ 41 ]}

بفضل استخدام الحلقات، وبوابات الاستدعاء المميزة ، وقطاع حالة المهمة (TSS) الذي تم تقديمه مع معالج 286، أصبح تعدد المهام الاستباقي ممكنًا على بنية x86. يسمح قطاع حالة المهمة (TSS) بتعديل السجلات العامة، وحقول مُحدد القطاعات، والمكدسات دون التأثير على تلك الخاصة بمهمة أخرى. كما يسمح قطاع حالة المهمة (TSS) بأن يكون مستوى امتياز المهمة، وأذونات منافذ الإدخال/الإخراج مستقلة عن مستوى امتياز المهمة الأخرى.

في العديد من أنظمة التشغيل، لا تُستغلّ جميع ميزات نظام تبديل المهام (TSS). ^{[ 42 ]} ويعود ذلك عادةً إلى اعتبارات قابلية النقل أو إلى مشكلات الأداء الناتجة عن تبديل المهام عبر الأجهزة. ^{[ 42 ]} ونتيجةً لذلك، تستخدم العديد من أنظمة التشغيل كلاً من الأجهزة والبرامج لإنشاء نظام متعدد المهام. ^{[ 43 ]}