Real Mode

Der Begriff Real Mode, eigentlich real address mode oder eingedeutscht Real-Modus, bezeichnet eine Betriebsart der x86-Architektur, die ab dem 80286 von Intel unter diesem Namen für den ursprünglich einzigen Betriebsmodus des 8086 existiert.

Im Real Mode benutzt der Prozessor die gleiche Methode wie der 8086/8088-Prozessor, um auf den Hauptspeicher zuzugreifen. Das heißt, aus Sicht des Programmierers ist er wie ein (schnellerer) 8086 anzusprechen.

Jeder x86-Prozessor startet nach dem Reset im Real Mode. Durch eine spezielle Variante des MOV-Befehls kann man den Prozessor in den Protected Mode versetzen.

Der Real Mode ist der Standardmodus von PC DOS und MS-DOS, das mit dem IBM PC, Modell 5150, 1981 eingeführt wurde. Dazu kompatible Betriebssysteme werden als PC-kompatibles DOS zusammengefasst, beispielsweise DR-DOS, PTS-DOS und FreeDOS, und sie laufen auch auf IBM-PC-kompatiblen Computern. Der Real Mode wird auch auf DOS-PCs (das sind x86-PCs, die nicht mit dem IBM PC kompatibel sind) und auch auf nicht mit DOS kompatiblen Betriebssystemen genutzt, beispielsweise CP/M-86. In den frühen Versionen von Windows wird der Real Mode unterstützt, das bis Windows 3.x von DOS aus gestartet wird. Neuere Betriebssysteme für die PC-Plattform verwenden ihn nur noch während der Startphase, wobei praktisch alle modernen Betriebssysteme bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt in den Protected Mode umschalten.

Zur Ausführung von Real-Mode-Betriebssystemen und der dazugehörigen historischen Software bieten sich PC-Emulatoren wie bspw. QEMU, Bochs oder 86Box an. 86Box ist in der Lage, konkrete historische Hardware originalgetreu zu emulieren, benötigt dafür aber deren proprietäre Firmware. Die Emulationssoftware DOSBox emuliert nicht nur die Hardware eines IBM-kompatiblen PCs, sondern auch gleich ein zu MS-DOS kompatibles DOS.

Im Real Mode existiert kein Zugriffsschutz. Das heißt, dass jedes laufende Programm auf den gesamten Hauptspeicher und die Hardware zugreifen kann – ein einzelnes abstürzendes Programm also zu einem kompletten Systemabsturz führen kann. Dies ist für moderne Multitasking-Betriebssysteme allerdings nicht akzeptabel.

Im Real Mode benutzt der Prozessor eine sogenannte Segment:Offset-Adressierung. Es existieren vier Segmentregister: CS (code segment), DS (data segment), ES (extra segment) und SS (stack segment); ab dem 80386 kommen noch zwei weitere Segmentregister (FS und GS) dazu. Alle Segmentregister enthalten im Real Mode lediglich 16-Bit-Segmentadressen. Zur Errechnung der realen, linearen Adressen werden die Inhalte mit 16 multipliziert und zum Offset addiert. Da die Offset-Adresse ebenfalls auf 16 Bit begrenzt ist, ergibt sich eine 20-bittige lineare Adresse, wodurch der direkt und ohne Tricks nutzbare Adressraum auf ein MiB (2²⁰ Byte) beschränkt bleibt. Ab dem 80286er werden bei „Überadressierung“ und offener A20-Adressleitung noch einmal 64 KiB (minus 16 Byte) im Bereich von FFFF:0010 bis FFFF:FFFF im Real Mode erreichbar. Dieser Speicherbereich wird auch als High Memory Area bezeichnet.

Die Beschränkung auf ein Megabyte Hauptspeicher war schon zu MS-DOS-Zeiten für viele Anwendungen völlig unzureichend. Es gibt aber zwei Tricks, mit denen man auch im Real Mode die Segmentregister auf vier GiB erhöhen kann; das Arbeiten im Real Mode jenseits von einem MiB nennt man den „Unreal Mode“. Dieser spezielle Modus gilt als undokumentiert und stellt keine eigene Betriebsart dar.

Der einfache „Unreal Mode“ wird vor allem in PC-Spielen der ersten Hälfte der 1990er-Jahre genutzt, da diese meist direkt unter dem Real-Mode-System MS-DOS ablaufen. Windows war zwar damals bereits ein Protected-Mode-System, bot aber noch keine besondere Unterstützung für Computerspiele, sodass die wenigen damals existierenden Windows-3.x- oder -NT-Spiele die Rechenleistung des Computers nie voll ausschöpfen konnten.

Beide Tricks beruhen darauf, dass der Prozessor auch im Real Mode die Schattenregister der Segmentregister für die Adressberechnung benutzt, auch wenn diese in diesem Modus grundsätzlich nicht direkt erreichbar sind. Über Umwege kann man jedoch die Schattenregister auf Werte setzen, die einen Zugriff auf Speicherbereiche jenseits der 1-MiB-Grenze erlauben, indem entweder der Segmentanfang auf eine Speicheradresse jenseits der 1-MiB-Grenze gesetzt wird, oder (wenn mindestens ein 80386-Prozessor zur Verfügung steht) die Segmentgröße wird von 64 KiB auf 4 GiB erhöht.

Auf dem 80286 und 80386 (und einigen 486er-Modellen) existiert ein undokumentierter Befehl LOADALL (286) bzw. LOADALLD (386), mit dem man alle Register der CPU mit eigenen Werten füllen kann. Dies betrifft insbesondere auch die Register, die im Real Mode nicht verfügbar sind, womit auch die gewünschten Werte in die Segmentbeschreibungscaches geladen werden können. Auf neueren CPUs lösen diese Befehle eine „Unbekannter Opcode“-Ausnahme aus, welche dazu genutzt werden kann, den Befehl zu emulieren.

Der PM-Trick besteht darin, in den Protected Mode zu schalten, die Segmentregister inklusive Schattenregister mit den gewünschten Werten zu laden und dann wieder in den Real Mode zurückzuschalten, wobei die Werte in den Registern erhalten bleiben.

Beim 80286 kann, neben dem oben erwähnten LOADALL-Trick, nur über einen CPU-Reset unter Zuhilfenahme von Programmcode im CMOS-RAM in den Real Mode zurückgeschaltet werden^[1], wobei auch die Inhalte der Segmentdeskriptorcaches auf ihre Standardwerte zurückgesetzt werden. Damit funktioniert diese Methode nur auf 80386-Prozessoren und neuer.

Eine andere Möglichkeit, im Real Mode den gesamten Adressraum anzusprechen, sind die DOS-Extender. Diese Spezialprogramme erlauben die Verwendung des Real-Mode-Betriebssystems MS-DOS (und kompatibles DOS) durch Protected-Mode-Programme, indem sie jeweils bei Bedarf zwischen den beiden Modi umschalten: das Anwendungsprogramm selbst läuft im Protected Mode, für DOS-Aufrufe wird jeweils in den Real Mode geschaltet.

DOS-Extender haben den Vorteil gegenüber dem Unreal Mode, dass sie meist auch mit Windows, zumindest mit Windows 95/98/98SE, noch kompatibel sind; derartige DOS-Programme können also meist auch direkt unter Windows gestartet werden. Der Unreal Mode kann unter diesen Windows-Versionen dagegen nur durch das Starten des Rechners im „MS-DOS-Modus“ genutzt werden, die NTVDM in NT-basierenden Windows-Versionen unterstützt das nicht.

• System Management Mode
• Virtual 8086 Mode

• Intel IA-32 Software Developer's Manual - Volume 3A (PDF-Datei; englisch; 2,9 MB)
• A Brief History of Unreal Mode (englisch)

1. ↑ http://www.rcollins.org/articles/pmbasics/tspec_a1_doc.html Protected Mode Basics by Robert Collins