멀티태스킹 기능으로 여러 프로세스를 동시에 동작시키는 것, 메모리 페이징 시스템을 구현하여 적은 양의 메모리를 효율적으로 관리하는 것 등은 모두 Protected Mode에서 이루어진다. PC에 전원이 들어간 후 CPU의 초기 모드인 Real Mode와는 달리 Protected Mode로는 작성된 프로그램을 통해서 몇몇의 설정을 행한 뒤에 들어가야 한다.
16비트 Real Mode
Real Mode는 PC가 부팅할 때 맨 처음 동작하는 CPU 모드이다. 이 모드는 16비트로 동작하기 때문에 모든 레지스터를 16비트의 형태로 사용한다.
AX, BX, CX, DX 등과 같은 레지스터들은 모두 16비트의 한 개의 WORD로 되어 있고, 최대 저장할 수 있는 수는 64K(10진수 65535, 16진수 0xFFFF)뿐이다.
그리고, 인텔 X86 계열의 CPU에서는 프로그래머가 RAM 상의 어떤 주소에 접근하고 싶을 때 레지스터에 그 수를 바로 넣어 사용할 수 없고, 반드시 세그먼트:오프셋 방식으로 두 개의 레지스터를 사용하여 주소에 접근한다.
16비트 Real Mode에서도 당연히 세그먼트 레지스터, 오프셋 레지스터 모두 16비트 값밖에는 취할 수 없다.
Protected Mode
Protected Mode에서 주소 지정을 하기 위해서는 Real Mode ~ Protected Mode 전환 전에 미리 하나의 테이블(GDT : Global Descriptor Table)을 준비해야 한다. 이 테이블은 어떤 형식이 있는 데이터의 나열이고, RAM 영역 중 어디든지 기입해 놓을 수 있다.
이 테이블에는 각 세그먼트 영역에 대해 이것들을 어떻게 사용할 것이지에 대해 설명해 놓는다. 이것은 “커널이 이제부터 메모리를 어떻게 사용하겠다”라고 하는 설계서와 흡사한 것이다.
테이블을 구성하는 각각의 요소들에는 하나의 세그먼트를 표현하기 위해서 Base Address, Limit, 속성의 정보를 넣어둔다. 하나의 요소를 지칭하여 디스크립터(Descriptor)라고 부르고, 여러 개의 디스크립터를 모아두었다고 하여 GDT-디스크립터 테이블이라고 하는 것이다.
Base Address란 Real Mode에서 CS 레지스터에 세그먼트가 시작 주소를 넣어두는 것과 같은 것이며, 이 세그먼트의 시작을 나타낸다. CPU는 프로그래머의 명령에 따라서 테이블에서 Base Address를 찾아내서 CS, DS 등의 레지스터에 넣어둔다.
Protected Mode 의 장점
1. Limit 값을 최대 0xFFFFFFFF까지 지정할 수 있으므로 Base Address를 0으로 지정한다면 최대 4GB의 영역을 오프셋을 가지고 마음대로 지정할 수 있다.
Real Mode에서는 오프셋을 16비트로 0x0000 ~ 0xFFFF까지밖에 지정할 수 없었다는 것을 생각하면 오프셋으로 매우 자유롭게 프로그램을 이동시키거나 데이터를 읽어올 수 있다는 편리함이 있다는 것을 알 수 있다.
2. 위에서 오프셋을 마음대로 지정할 수 있다는 설명을 했으나, 때에 따라서는 DPL 값을 조작하여 커널 시스템 영역으로 유저 영역의 어플리케이션 프로그램이 접근하지 못하도록 하거나, 코드/데이터 세그먼트를 분리시켜 코드를 데이터로서 읽거나 쓰지 못하도록 막아놓을 수도 있다.
3. Protected Mode의 GDT의 각 디스크립터에는 각 세그먼트의 시작 주소를 물리 주소롤 지정할 수 있다. GDT에는 상당히 많은 세그먼트를 지정할 수 있고, 시작 주소를 루리 주소 값으로 직접 넣기 때문에 1Byte 단위로 지정할 수 있다.
GDT
디스크립터의 모습
