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80386 マイクロプロセッサ以降では、仮想 8086 モード(仮想リアル モード、V86 モード、VM86とも呼ばれる)により、プロセッサが保護モードのオペレーティング システムを実行しているときに、保護モードで直接実行できないリアル モードアプリケーションを実行できます。これは、386 チップで複数の 8086 プロセッサをエミュレートできるようにするハードウェア仮想化技術です。これは、 80286 保護モードの苦い経験から生まれたもので、それ自体では同時実行可能なリアル モード アプリケーションの実行には適していませんでした。[1] John Crawford はレジスタ セットに仮想モード ビットを開発し、この環境への道を開いた。[2]
VM86 モードでは、リアル モードと同じセグメンテーションスキームが使用されます (互換性のため)。このスキームでは、リアル モードで 20 ビットの物理アドレスが作成されるのと同じ方法で 20 ビットの線形アドレスが作成されますが、保護モードのメモリページングメカニズムの対象となります。
概要
仮想 8086 モードは、保護モード タスク用のモードです。これにより、プロセッサは VM86 タスクと非 VM86 タスクを切り替えることができ、マルチタスク レガシー ( DOS ) アプリケーションが可能になります。
仮想 8086 モードを使用するには、オペレーティング システムが仮想 8086 モード モニターを設定します。これは、リアル モード プログラムを管理し、システムのハードウェアおよびソフトウェア リソースへのアクセスをエミュレートまたはフィルター処理するプログラムです。モニターは、特権レベル0 および保護モードで実行する必要があります。8086 プログラムのみが VM86 モードおよび特権レベル 3 で実行されます。リアル モード プログラムが、ハードウェア デバイスを使用するために特定の I/O ポートにアクセスしたり、メモリ空間内の特定の領域にアクセスしたりしようとすると、CPU はこれらのイベントをトラップし、V86 モニターを呼び出します。V86 モニターは、リアル モード プログラムが実行しようとしていることを調べ、ハードウェアとのインターフェイスのプロキシとして機能したり、リアル モード プログラムがアクセスしようとしていた目的の機能をエミュレートしたり、または、許可されていないか適切にサポートされていない操作 (マシンの再起動、ビデオ ディスプレイをハードウェアでサポートされておらずエミュレートされていないモードに設定、オペレーティング システム コードの上書きなど) を実行しようとしている場合はリアル モード プログラムを終了したりします。
V86 モニターは、要求された操作の失敗をエミュレートすることで、権限を穏やかに拒否することもできます。たとえば、実際にはドライブをチェックしていないのに、ディスク ドライブが常に準備ができていない状態のように見せかけて、リアル モード プログラムがドライブにアクセスすることを単に許可しないようにすることができます。また、V86 モニターは、メモリ ページのマップ、呼び出しと割り込みのインターセプト、リアル モード プログラムのプリエンプトなどの操作を実行できるため、リアル モード プログラムをプロテクト モード プログラムのようにマルチタスク化できます。リアル モード プログラムのハードウェアとソフトウェアの I/O をインターセプトし、V86 プログラムが期待する状態を追跡することで、複数のプログラムが互いに干渉することなく同じハードウェアを共有できます。[a]そのため、V86 モードは、シングルタスク環境 (DOS [b] など) 向けに設計されたリアル モード プログラムを、マルチタスク環境で同時に実行する方法を提供します。
使用法
これは、386拡張モードで 実行されているFlexOS 386 (1987 年以降)、Concurrent DOS 386 (1987 年以降)、Windows/386 2.10 (1987 年以降)、DESQview 386 (1988 年以降)、Windows 3.x ( 1990 年以降)、Multiuser DOS (1991 年以降)、Windows for Workgroups 3.1x (1992 年以降)、OS/2 2.x (1992 年以降)、4690 OS (1993 年以降)、REAL/32 ( 1995 年以降)、および仮想 DOS マシン経由のWindows 95、98、98 SE、ME 、 Merge経由のSCO UNIX、DOSEMU経由のLinuxで、特定の DOS プログラムを実行するために使用されます。 (保護モードを使用する他のDOSプログラムは、エミュレータの下でユーザー モードを使用して実行されます。) x86 Windows NT ベースのオペレーティング システムのNTVDMも VM86 モードを使用しますが、 [3]直接ハードウェア アクセスは非常に制限されています。一部のブート ローダー (例: GRUB ) は保護モードを使用し、BIOS 割り込み呼び出しを仮想 8086 モードで実行します。[4] [5]
メモリのアドレス指定と割り込み
8086 コードを保護モードで実行する際に最もよく発生する問題は、保護モードとリアルモードで完全に異なるメモリ アドレス指定です。前述のように、VM86 モードで動作することにより、セグメンテーションメカニズムはリアル モードと同じように動作するように再構成されますが、ページングメカニズムは引き続きアクティブであり、リアル モード コードに対して透過的です。したがって、メモリ保護は引き続き適用可能であり、アドレス空間の分離も同様です。
割り込み (ハードウェア、ソフトウェア、int 命令) が発生すると、プロセッサは VM86 モードをオフにして、割り込みを処理するために完全保護モードで動作に戻ります。また、割り込みを処理する前に、DS、ES、FS、および GS レジスタが新しいスタックにプッシュされ、ゼロに設定されます。
仮想 8086 モード拡張 (VME)
Pentiumアーキテクチャでは、仮想8086モードにいくつかの機能強化が加えられた。しかし、これらはIntelによって後続のP6（マイクロアーキテクチャ）からのみ文書化され、[6] 、より最近の正式名称はVirtual-8086 Mode Extensionsで、略してVME [7]である（古い文書では、VMEの頭字語展開として「Virtual 8086 mode enhancements」が使用されている場合がある）。[6]後期のIntel 486チップでもサポートされている。[8] [9]機能強化は主に8086仮想化のオーバーヘッドに対処しており、特に（仮想）割り込みに重点を置いている。[6] [10]機能強化がP6の文書で公式に文書化される前は、公式文書では有名な付録Hに言及していたが、これは公開文書からは省略され、 NDAの下で選ばれたパートナーとのみ共有された。
VME を有効にするには、 CR4のビット番号 0 (値は 0x1) を設定します。 VME 割り込み高速化拡張機能は VM86 で保護されていないタスクにも役立つことがわかったため、ビット番号 1 (値は 0x2) のみを設定することで個別に有効にすることもできます。このビット番号 1 は PVI (保護モード仮想割り込み) と呼ばれます。[6] [9]プロセッサが VME (PVI を含む) をサポートしているかどうかの検出は、初期 EAX 値が 0x1 のCPUID命令を使用して、EDX レジスタの 2 番目のビット (ビット番号 1、値は 0x2) の値をテストすることで行われます。このビットは、プロセッサが VME をサポートしている場合に設定されます。[11] [6] Linux では、この後者のビットは、 /proc/ cpuinfoファイルの「flags」セクションにvme フラグとして報告されます。
仮想 8086 モードでは、基本的な考え方は、IOPL が 3 未満の場合に、PUSHF/POPF/STI/CLI/INT/IRET 命令が実際の 32 ビット EFLAGS レジスタの VIF の値を、シミュレートされた 16 ビット FLAGS レジスタの IF の値として扱うというものです (32 ビット PUSHFD/POPFD は GP フォールトを継続します)。VIP は、シミュレートされた IF の設定で GP フォールトを引き起こし、保留中の割り込みを処理するように OS に指示します。PVI も同じ考え方ですが、CLI/STI 命令にのみ影響します。
第一世代のAMD Ryzen CPUには壊れたVME実装があることが判明しました。[12]第二世代のRyzen（2000シリーズ）ではこの問題は修正されています。[13]
64ビットおよびVMXサポート
仮想 8086 モードはx86-64 ロングモードでは使用できませんが、レガシー モードで実行されている x86-64 対応プロセッサでは引き続き存在します。
Intel VT-xはx86-64ロングモードから仮想8086モードを実行する機能を復活させましたが、これは（物理）プロセッサをVMXルートモードに移行し、仮想8086モードで動作する論理（仮想）プロセッサ自体を起動することによって行う必要があります。[14]
Westmere以降のIntelプロセッサは通常[15]、「無制限ゲスト」機能（それ自体が拡張ページテーブルを必要とする）を使用して仮想プロセッサをリアルモードで直接起動できます。この方法により、起動時にレガシーBIOSを実行するためにネストされた仮想8086モードに頼る必要がなくなります。[16] [17]
AMD-V はゲストでも仮想 8086 モードを実行できますが、次の手順でゲストを「ページングされたリアル モード」で実行することもできます。CR0.PE=0 で CR0.PG=1 (つまり、保護モードは無効だがページングは有効) の SVM (セキュア仮想マシン) モード ゲストを作成します。これは通常は不可能ですが、ホストがページ フォールトをインターセプトする場合は SVM ゲストで許可されます。[18]
参照
注記
- ^ たとえば、あるプログラムがディスプレイに書き込みを行い、その後別のプログラムが制御を取得して同じディスプレイに書き込み、その後最初のプログラムが制御を取り戻すと、2 番目のプログラムがディスプレイを変更しなかったかのようにディスプレイを使用しようとします。V86 モニターはディスプレイへの書き込みを傍受し、各プログラムのディスプレイ状態を追跡し、ユーザーが現在どのプログラムと対話しているかに応じて実際のディスプレイを切り替えます。V86 モニターは、実際のディスプレイを 1 つだけ使用して、各プログラムごとに独立したディスプレイをエミュレートします。
- ^ DOSが言及されているのは、Intel が V86 モードを設計する際に念頭に置いていたのが既存の DOS プログラムの大規模なライブラリであったためです。
参考文献
- ^ Yager, Tom (2004 年 11 月 5 日)。「ハードウェアの仕事をソフトウェアに任せる」。InfoWorld。2014年1 月 27 日閲覧。
- ^ Gnomes, Lee、「舞台裏: 386 の誕生」、Intel Corporation、Special 32-Bit Issue Solutions、1985 年 11 月/12 月、19 ページ
- ^ 「Windows NT 4.0 ワークステーション アーキテクチャ」。Microsoft。
- ^ Mike Wang (2016 年 6 月 21 日). 「Grub2 のブート プロセス」.
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ 「仮想8086モード - OSDev Wiki」。wiki.osdev.org 。 2020年12月10日閲覧。
- ^ abcde T. Shanley (1998). Pentium Pro および Pentium II システムアーキテクチャ。Addison-Wesley。pp. 427、465–480。ISBN 978-0-201-30973-7。
- ^ Intel 64 および IA-32 アーキテクチャ ソフトウェア開発者マニュアル、第 3 巻 (3A、3B、3C、3D): システム プログラミング ガイド。Intel。2020年 5 月。p. 2-17。
- ^ 「メーリングリストアーカイブ: Re: 2.6.14: CR4 は 486 ではもう検査する必要はありませんか?」 Gossamer-threads.com 。 2014 年 2 月 20 日閲覧。
- ^ ab 「Pentium 保護モード仮想割り込み (PVI)」 Rcollins.org . 2014 年 2 月 20 日閲覧。
- ^ 「Pentium プロセッサの仮想モード拡張機能」 Rcollins.org 。 2014 年 2 月 20 日閲覧。
- ^ Intel 64 および IA-32 アーキテクチャ ソフトウェア開発者マニュアル、第 2 巻 (2A、2B、2C、2D): 命令セット リファレンス、AZ。Intel。2020年5 月。pp. 3–199、3–221、3–222。
- ^ ミハル・ネカセック (2017 年 5 月 12 日)。 「AMD Ryzen で VME が壊れた」。OS/2 ミュージアム。
- ^ 「 AMDファミリー 17h モデル 00h-0Fh プロセッサのリビジョン ガイド」(PDF)。AMD 。2018 年 6 月。
- ^ Intel 64 およびIA-32 アーキテクチャ ソフトウェア開発者マニュアル、第 3B 巻: システム プログラミング ガイド、パート 2 (PDF)。Intel。2009年 9 月。p. 29-1。2010 年 1 月 5 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ
。VM エントリは、保護モードまたは仮想 8086 モードのページングが有効になっているゲストにのみ許可されます。他のプロセッサ動作モードでのゲストの実行は、VMM によって特別に処理される必要があります。
; また、CS 686: 特別トピック: Intel EM64T および VT 拡張 (2007 年春)、レッスン 24 の Linux からこれを行う方法も参照してください (コードはかなり古いので、現在のカーネルではそのままでは動作しない可能性があります)。最新のコードは、こちらで参照できます。また、このサンプル コードは、論理プロセッサを仮想 8086 モードで厳密に起動するよりも複雑であることに注意してください。最終的な目的は、リアル モード BIOS 呼び出しを行うことです。 - ^ 「Intel Virtualization Technology List」。Ark.intel.com。2014 年 2 月 10 日にオリジナルからアーカイブ。2014 年 2 月 20 日に取得。VT
-x をサポートし、EPT をサポートしない Intel プロセッサのリスト
- ^ 「Intel は Westmere マイクロアーキテクチャおよびそれ以降の Intel CPU に制限のないゲスト モードを追加しました。このモードでは、EPT を使用してゲストの物理アドレス アクセスをホストの物理アドレスに変換します。このモードでは、ページングを有効にしない VMEnter が許可されます。」
- ^ 「「無制限ゲスト」VM 実行制御が 1 の場合、「EPT を有効にする」VM 実行制御も 1 である必要があります」
- ^ "15.19 ページド リアル モード". AMD64 アーキテクチャ プログラマーズ マニュアル、第 2 巻: システム プログラミング(PDF) . Rev. 3.38. Advanced Micro Devices . 2021 年 11 月。pp. 515–516。
リアル モードの仮想化を容易にするために、VMRUN 命令は、PE = 0 で PG = 1 のゲスト CR0 値を合法的にロードできます。同様に、RSM 命令は、ページド リアル モードに戻ることが許可されています。このプロセッサ モードは、ページングが適用されることを除いて、あらゆる点でリアル モードのように動作します。その目的は、VMM がゲストを CPL0 でページド リアル モードで実行し、ページ フォールトをインターセプトすることです。VMM は、ゲストの物理メモリを適切なシステム物理アドレスにマップするシャドウ ページ テーブルを設定する責任があります。VMM へのページ フォールトをインターセプトせずにページド リアル モードでゲストを実行する動作は未定義です。