Geschützter Modus, Virtual Mode und Timing in x86-Prozessoren

Geschützter Modus (Safe Recovery)

Safe Recovery: ein Betriebsmodus der x86-kompatiblen CPUs der Serie 80286 und darüber hinaus. Der geschützte Modus hat eine Reihe neuer Funktionen, die das Multitasking und die Stabilität des Systems verbessern, wie Speicherschutz und hardwaregestützte Unterstützung für virtuellen Speicher sowie Task-Switching. Er bietet außerdem Hardware-Unterstützung, um ein laufendes Programm zu unterbrechen und den Ausführungskontext zu einem anderen zu wechseln, wodurch präemptives Multitasking ermöglicht wird.

Virtual Mode (80386)

VIRTUAL MODE: Der Intel 80386 (80386DX) wurde 1985 eingeführt und brachte 32-Bit-Erweiterungen. Er führte neue Architekturmerkmale und Datenleitungen ein und ermöglichte die Nutzung von 32-Bit-Registern und -Bussen. Mit dem 80386 veränderte sich das Segmentierungsmodell: Programmierer mussten Wege finden, um mit einer größeren Anzahl und variabler Größe von Speichersegmenten zu arbeiten. Das 80386 verfügt über ein Modell mit variablen Memory-Segmenten, 32-Bit-Datensätzen und 32-Bit-Bussen. Es behält die drei Betriebsarten bei: Realmodus, geschützter Modus und virtual-8086-Modus (virtueller Modus). Zu den Unterschieden gehören zusätzliche Status-/Kontrollbits, erweiterte Paging-Mechanismen sowie ein vergrößerter Befehlssatz und Registerlängen.

TIMING

TIMING: Timing und Schaltkreise bilden die Grundlage für jedes Gerät. Sie regeln, wann und wie Signale zwischen Speichern, Anwendungswechseln, Schnittstellenübergängen und dem Betrieb digitaler Computer kontrolliert werden. Familien digitaler Logikbausteine führen eine Vielzahl logischer Funktionen aus, die von sogenannten Logikgattern (OR, AND, NOT) implementiert werden.

• Gängige Logikfamilien sind z. B. CMOS (komplementäre Metalloxid-Halbleiter), TTL (Transistor-Transistor-Logik), RTL (Widerstands-Transistor-Logik) und ECL (Emitter-kopplungs-Logik).
• CMOS zeichnet sich durch sehr geringen Leistungsbedarf aus, ist jedoch nicht die schnellste Logikfamilie.
• ECL und spezielle Hochgeschwindigkeits-Logikschaltungen bieten sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten, werden aber oft mit höheren Leistungsanforderungen erkauft.
• Je nach Anforderung an Geschwindigkeit und Leistungsverbrauch werden unterschiedliche Logiktypen eingesetzt (z. B. RTL oder Emitter-Logik für spezielle Anwendungen bei sehr hohen Frequenzen).

Takt- und Uhrsystem

CLOCK SYSTEM: Die Prozessor-Geschwindigkeit wird durch das Systemtakt-Signal bestimmt, das elektronische Impulse zur Synchronisation der Verarbeitung liefert. Die Taktrate wird in Megahertz (MHz) gemessen, wobei 1 MHz einer Million Zyklen pro Sekunde entspricht, oder in Gigahertz (GHz), wobei 1 GHz einer Milliarde Zyklen pro Sekunde entspricht. Weitere Faktoren, die die effektive Leistung beeinflussen, sind die Busarchitektur, Wartezyklen, Cache-Design und die Effizienz der Pipelines und Speichersysteme.

Standby

Standby: Ein typisches Problem ist die Anpassung der Busgeschwindigkeit an die Taktzyklen einer Karte. Ist eine Steckkarte langsamer als der Systembus, kann das "Bus-ready"-Signal den Bus verlangsamen oder der Bus fügt Wartezyklen ein, bis die Karte fertig ist. Dadurch muss das Gesamtsystem mit den langsameren Zykluszeiten der Karte synchronisiert werden. Solche Verzögerungen werden durch Ready-/Wait-Signale und durch Insertion von Wartezyklen gehandhabt, damit die Kommunikation zwischen Komponenten korrekt und stabil bleibt.