前回まで８０８６になく８０１８６／８０２８６で拡張されている命令の練習を実施。カテゴリの残りまだあるのですが、INS、OUTSは練習するのがメンドイです。一方他は８０８６でもあった命令にオペランドを追加したものどもで花がないっす。そこで今回から８０２８６にて「追加されたもの」プロテクト・モードへ入りたいと思います。
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※実機動作確認（といってもエミュレータなんだけれども）には以下を使用させていただいております。
２８６プロテクト・モード
現在のパソコンで稼働しているｘ８６（ｘ６４）は、まず間違いなく「プロテクト・モード」で動作しており、８０８６や８０１８６のころの「リアル・モード」は使われてません（奥深いところに残ってはいる筈だけれども。）
初代の「プロテクト・モード」を登載したのは誰よ、と問えば、答えは８０２８６です。１６ビットの時代の末尾を飾るマシンであります。しかし、何度か書きましたが、２８６の「プロテクト・モード」はｘ８６の黒歴史であるかのごとく奥底に封印されとります（まあ、リアルモード同様奥深いところに残っている筈だけれども。最近のマシンでは復活させると呪いがかかるという噂？まあ、ペナルティってことね。）
８０８６と８０１８６に存在せず８０２８６に存在する命令、というのは全てプロテクト・モードのための命令群です。そいつらをちょいと触ってみるためには、プロテクト・モードの背景知識が必須。そのため今回はメンドクセー、プロテクトモードのメモリアクセスについておさらい。
セグメント・レジスタへのロード
同じオペコードの命令の動作が、リアル・モードとプロテクトモードで異なるものがあります。その多くが「セグメント・レジスタ」の操作を伴う命令どもです。例えば、
MOV DS, AX
上記は、AXレジスタの内容１６ビットを、DSセグメントレジスタに転送する命令です。レジスタ値の表面だけみていたらリアル・モードとプロテクト・モードでその動作に違いはありません。
しかし、命令の裏側で起こっていることを眺めると、大きく違うことが分かります。
リアルモードでは、セグメント・レジスタに書きこんだ値は、物理メモリアドレスの上位１６ビット（パラグラフなどと呼ばれることあり）そのものです。メモリにアクセスする場合には、セグメント・レジスタのLSB側に４ビットの０の下駄を履かせて、命令どもが生成するオフセットアドレス（１６ビット幅）と加算することで、実メモリのアドレス２０ビットを得ています。
リアルモードでは、特権がどうのとか、仮想記憶がどうのとかいうことはまったくありません。また、セグメントの大きさは最大６４Kバイト、アセンブラ上はセグメントの大きさは小さくも「書け」ますが、実際のメモリアクセスではお隣のセグメントに突き抜けるようなオフセットアドレス使っても何も起きません。アクセスし放題。
一方プロテクト・モードでは、セグメント・レジスタにロードする値そのものが異なります。値は同じ１６ビット幅ですが、セグメント・セレクタと呼ばれ、MSB側の１３ビットはインデックスです。メモリ上合計８K個のデスクリプタと呼ばれる「構造」がならんだテーブルから、どのデスクリプタかを指定するための数値です。そしてデスクリプタを保持するテーブルには「グローバル」と「ローカル」の２種類があり。セグメント・セレクタのビット２は「グローバル」か「ローカル」かを識別するためのビットです。なぜ２つのテーブルがあるかについては次回以降で述べる予定の「タスク」というものまでお待ちくだされ。そしてビット１、０も後で触る予定ですが、特権（保護）に関するビットです。
リアル・モードであれば、セグメント・レジスタに新たな値がロードされたといってもドタバタ走り回る必要はないのですが、プロテクト・モードは異なります。ロードされたセレクタの値を使って、メモリ上に展開されている筈のデスクリプタ・テーブルを読みに行くことになります。
デスクリプタの内部にはざっくり３種のフィールドあり
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- ARバイト
- ベースアドレス（２４ビット）
- リミット（１６ビット）
ARバイトには、デスクリプタの型（いろいろある）や特権レベルのビット以外に、セグメントの在不在を示すビットも含まれてます。ここに「不在」と書きこまれていると「まだ主記憶メモリ上には読み込まれていない（仮想記憶のファイルシステム内のどこかにある筈）」ということで、例外が発生し、「セグメント・スワップ」のハンドラが起動される、という仕組みに繋がります。OSが対応していれば、セグメントベースでの仮想記憶が構築できると。当時としてはカッケー機能だったな。いまじゃ誰も使ってないケド。
ベースアドレス部こそが、リアルモードのセグメントの値に相当する部分です。８０２８６はアドレス線が２４本、１６Mバイトの主記憶だったので、その全てをカバーできるというわけです。２４ビット、ケチクセーとか言ってはなりません。IBMのベストセラー大型機ですら１６Mバイトの時代です。マイコンが猪口才な。
ここでテクあり、メモリアクセスの度にメモリ上のデスクリプタを読み出していると、メモリばかり読んでいて何もできませぬ。新たなセグメント値をロードするときに、メモリ上のデスクリプタを読み取って、オンチップのフツーは見えないレジスタ（デスクリプタ・キャッシュ）にロードしておくのです。よって、それ以降、実際にアドレス生成するときにはこのベースアドレスにオフセットを加えれば良いです。８０８６と同じじゃん。
一方、セグメンテーションといいつつ、８０８６ではしり抜けだったセグメントの大きさのチェックは、リミットと呼ばれるフィールドがデスクリプタ中に設けられたことで解決されてます。オフセット値はベースアドレスと加算されるだけではなく、同時にリミット値と比較もされてます。そしてリミット値を「越えてる」と判断されると例外発生。８０８６の時のように、お隣のセグメントにちょっかいかけるようなコードは書けませぬよし。ただし、リミットは最大６４K、セグメントの最大サイズは８０８６も２８６も変わりませぬ。この制約が取り払われるためには８０３８６を待たねばならず。
案の定というか、メモリアクセスのところだけで１回分使ってしまいました。まだ、ジャンプとかコールとか例外とかをハンドルするためのメンドクセー仕組みもあり、そいつらは次回だあ～。