Лекция5 (Лекции по микропроцессорной технике)

5

тема: ОСОБЕННОСТИ ОСНОВНОЙ ПАМЯТИ IBM

Вопросы:

1. Размещение информации в основной памяти IBM PC

2. Расширение основной памяти IBM PC

3. Виртуальная память

Литература:

1 вопрос: [1] стр. 117 - 118;

2 вопрос: [1] стр. 119 - 122;

3 вопрос: [1] стр. 105 - 107.

1.Размещение информации в основной памяти IBM PC

Адресуемой единицей информации основной памяти IBM PC является байт. Это означает, что каждый байт, записанный в ОП, имеет уникальный номер (адрес). При использовании 20-битовой шины адреса абсолютный (физический) адрес каждого байта является пятиразрядным шестнадцатеричным числом, принимающим значения от 00000 до FFFFF.

В младших адресах располагаются блоки операционной системы (векторы прерываний, зарезервированная область памяти BIOS), в этой же части могут размещаться драйверы устройств, дополнительные обработчики прерываний DOS и BIOS, командный процессор операционной системы. Затем располагается область памяти, отведенная пользователю. Область памяти пользователя заканчивается адресом 9FFFF. Этот адрес является физической границей оперативного ЗУ, последним адресом 640-Кбайтовой основной памяти.

Остальное адресное пространство (128 Кбайт с адреса А0000 по BFFFF) отведено под видеопамять, которая физически размещается не в ОП, а в адаптере дисплея.

После видеопамяти расположено адресное пространство (256 Кбайт) постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), хранящего программы базовой системы ввода-вывода (BIOS - Basic Input-Output System). Эта часть ОП еще называется ROM-BIOS.

Из отведенных 256 Кбайт непосредственно ПЗУ занимает 64 Кбайта, а остальные 192 Кбайта оставлены для расширения ПЗУ. Поскольку большая часть оставленной для расширения BIOS части адресного пространства не используется, в этих адресах часто располагается информация, необходимая для работы сетевых карт, графических расширителей и др.

Запись в ОП (и чтение из нее) может осуществляться не только байтами, но и машинными словами. При этом машинное слово при размещении в памяти занимает несколько смежных байтов. Каждый байт ОП имеет свой адрес. Но машинное слово характеризуется не всеми адресами занятых байтов, а только одним - адресом младшего байта слова. Обычно графически машинное слово изображается так, что младший байт находится справа (рис. 5.1).

Рис.5.1

При записи слова младший байт размещается по адресу, который является адресом машинного слова, старший байт машинного слова размещается в следующем по порядку байте ОП, имеющем номер, увеличенный на 1 (здесь действует мнемоническое правило «младший байт - по младшему адресу»).

Рис.5.2

При чтении из ОП двух следующих подряд байтов машинного слова их принято размещать слева направо: сначала первый из прочитанных байтов (с меньшим адресом), а затем - следующий. В результате происходит «вращение» байтов (рис. 5.2), которое психологически трудно воспринимается.

Необходимо помнить, что при записи отдельных байтов каждый байт располагается в ОП по своему адресу, при чтении никакого вращения не происходит.

При записи же в ОП единиц информации, имеющих в своем составе больше одного байта, адресом информационной единицы является адрес самого младшего байта, запись в ОП ведется побайтно, начиная с самого младшего байта, каждый последующий байт располагается в ячейке, адрес которой на 1 больше предыдущего.

Иными словами, запись машинного или двойного слова производится справа налево, тогда как при чтении считанные байты обычно располагаются слева направо - происходят «вращение» байтов, перестановка их местами, что необходимо учитывать при работе с ОП на физическом уровне.

2. Расширение основной памяти IBM PC

Рабочая концепция фирмы IBM при создании IBM PC содержала гипотезу, что объем основной памяти ЭВМ, предназначенной для персонального использования в любой предметной области, не должен превышать 640 Кбайт. Поэтому в базовую модель IBM PC заложили 20-разрядную шину адреса системной магистрали. Наличие 20 линий в шине адреса позволяло адресовать память большего объема, чем было предусмотрено концепцией (2²⁰ = 1 Мбайт). «Излишек» адресного пространства в 384 Кбайта был поделен между видеопамятью (128 Кбайт) и ПЗУ (256 Кбайт).

Физически увеличить объем памяти несложно, для этого необходимо только подключить к системной магистрали дополнительные модули. Такая возможность в IBM PC была предусмотрена. Но каждый байт дополнительной памяти должен иметь уникальный адрес, а адресного пространства для дополнительной памяти нет.

Существует несколько способов разрешения таких конфликтов. Один из них - банкирование памяти: вся память делится на блоки (банки), емкость которых не выходит за пределы допустимого адресного пространства; во время работы специальными командами можно переключать банки, делая активным любой из них или осуществляя групповую перепись информации из одного банка в другой.

В IBM PC XT фирма IBM применила другой способ: 256 Кбайт было сначала оставлено для ПЗУ, в котором размещалась базовая система ввода-вывода (BIOS). Анализ программ BIOS показал, что в оставленном для ПЗУ адресном пространстве (UMB - Upper Memory Block) имеются «окна» - неиспользуемые участки. Четыре таких участка (paqe frames), no 16 Кбайт каждый, были выделены, и их адреса стали использоваться для адресации дополнительной памяти, подключенной к системной магистрали. Таким образом, общий объем ОП удалось увеличить на 64 Кбайта. Специальная программа (драйвер дополнительной памяти) «перехватывала» обращение к «окнам» ПЗУ и вместо них «подставляла» дополнительный модуль памяти (Expended Memory).

Дополнительная память не обязательно должна была иметь объем 64 Кбайта. Ее объем мог быть и большим (фирма IBM выпускала модули дополнительной памяти объемом 8 и 32 Мбайта). При этом драйвер дополнительной памяти делил ее на блоки по 16 Кбайт и «отображал» каждое окно UMB на один из блоков Expended Memory. Из-за этого память такого вида получила название отображаемой.

Но развитие персональных ЭВМ привело к необходимости более серьезной корректировки рабочей концепции. Поэтому в IBM AT с микропроцессором i80286 разрядность шины адреса увеличили до 24, что позволило увеличить ее объем до 16 Мбайт. В МП i80386 разрядность шины адреса и адресных регистров микропроцессора увеличена до 32, в результате чего допустимый объем ОП увеличился до 4 Гбайт.

Наряду с этим изменился принцип формирования абсолютного адреса ОП, в результате чего утрачена совместимость с программным обеспечением, разработанным для IBM PC XT.

Для того чтобы обеспечить совместимость AT с XT, было решено реализовать два режима работы микропроцессоров, имеющих номер, больший 80286: реальный и защищенный.

В реальном режиме дополнительные разряды шины адреса заблокированы, что обеспечивает совместимость с микропроцессором i8086 и позволяет использовать операционную систему MS DOS и программное обеспечение, разработанное для XT. Но при этом остается неиспользованной вся дополнительная память, находящаяся за пределами 1 Мбайта.

В защищенном режиме применяется другой принцип формирования абсолютного адреса ОП, благодаря чему возможно использование всей имеющейся в наличии дополнительной (расширенной) памяти, но возникают трудности с использованием программного обеспечения, разработанным для MS DOS.

В IBM PC XT 20-битовый адрес формировался из двух машинных слов: базового адреса сегмента (16 бит) и смещения (16 бит). Это было связано с тем, что вся ОП делилась на сегменты емкостью 64 Кбайта. Адресация байтов внутри сегмента начиналась с 0 и заканчивалась адресом FFFF.

Внутрисегментный адрес байта называется смещением (т.е. смещением относительно начала сегмента). Начало же сегмента (т.е. его базовый 20-битовый адрес) однозначно определялось 16-битовым адресом, который преобразовывался в 20-битовый адрес дописыванием справа четырех нулей. В машинных командах абсолютный (физический) адрес задавался либо прямым указанием базового адреса сегмента и смещения (которые разделялись двоеточием, например 0A12:F4B2, где 0А12 - 20-битовый адрес начала сегмента; F4B2 - 16-битовое смещение внутри сегмента), либо по умолчанию (базовые адреса сегментов программы, данных, стека запоминаются в специальных регистрах микропроцессора), либо указанием регистра, в котором содержится необходимый базовый адрес (например, если регистр называется CS, то абсолютный адрес в машинной команде может быть задан в виде CS:F4B2).

Начиная с МП i80386, благодаря увеличению длины всех регистров для смещений до 32 бит, реализована возможность работы «с плоской памятью», не разделяемой на сегменты. Это допускает адресацию 2³² байт или 4 Гбайта ОП.

Кроме того, в защищенном режиме (начиная с МП i80286) можно использовать и сегментированную память, но сегментные регистры не суммируются со смещением, а предназначены в качестве указателя на управляющие таблицы, содержащие необходимую информацию о сегментах.

Желание использовать в реальном режиме всю фактически имеющуюся в наличии дополнительную память привело к созданию двух виртуальных режимов, один из которых стандарт EMS (Expended Memory Specifications), реализующий принцип банкирования дополнительной памяти.

Вся дополнительная память делится на страницы (банки) емкостью по 16 Кбайт; выбираются четыре страницы и объявляются активными. Выбранные активные страницы отображаются на четыре окна UMB, теперь при обращении к одному из окон UMB вместо него подставляется отображенная на него страница дополнительной памяти.

Поскольку любое окно UMB можно отобразить на любую страницу дополнительной памяти (объявив ее активной), то, изменяя отображение в процессе работы, можно использовать всю дополнительную память любого объема.

Стандарт EMS реализуется программным путем с помощью драйвера дополнительной памяти, который «перехватывает» каждое обращение к окну, имеющемуся в адресном пространстве ПЗУ, и «подставляет» вместо ПЗУ соответствующий участок дополнительной памяти.

В соответствии с этим стандартом работают драйверы XMA2EMS.SYS, EMM386.SYS и др.

Стандарт EMS несколько снижает производительность системы, но не накладывает никаких ограничений на размещение в дополнительной памяти программ и данных.

Другой виртуальный режим основан на том, что за счет разблокирования на время дополнительных (по сравнению с XT) линий шины адреса системной магистрали удается увеличить доступное MS DOS адресное пространство еще почти на 64 Кбайта, начиная с адреса FFFFF (т.е. за пределами адресного пространства 1 Мбайт). Эта область адресного пространства (64 Кбайта, начиная с 1 Мбайта) получила название НМА (High Memory Area) - старшая область памяти. Ее также можно использовать, работая в MS DOS, для хранения и программ, и данных.

Блоки памяти, расположенные выше границы НМА, называются ЕМВ (Extended Memory Blocks) - расширенные блоки памяти, хотя часто расширенной памятью (ЕМ - Extended Memory) называют всю дополнительную память, расположенную в адресном пространстве выше 1 Мбайта, иногда выделяя в ней область НМА.

Кратковременное разблокирование дополнительных линий шины адреса системной магистрали позволяет реализовать стандарт XMS (eXtended Memory Specification), при котором разделенная на страницы EM отображается на HMA, а остальная память может использоваться лишь для хранения данных.

Стандарт XMS реализуется драйвером HIMEM.SYS, который способен работать с шиной адреса, имеющей до 32 линий.

3. Виртуальная память

Имея иерархическую структуру запоминающих устройств, на реальном объеме памяти, значительно меньшем максимального, можно имитировать работу с максимальной памятью. В этом случае программист работает так, как будто ему предоставлена реальная память максимально допустимого для данной ЭВМ объема, хотя имеющаяся реальная память значительно меньше по объему. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти.

Теоретически доступная пользователю основная память, объем которой определяется только разрядностью адресной части команды и которая не существует в действительности, называется виртуальной памятью.

Виртуальная память имеет сегментно-страничную или страничную организацию и реализована в иерархической системе памяти ЭВМ. Часть ее размещается в страничных блоках основной памяти (page frames), а часть - в ячейках внешней страничной памяти (slot).

Внешняя страничная память является частью внешней памяти. Ячейка (слот) - это записываемая область во внешней страничной памяти (например, на жестком магнитном диске). Она того же размера, что и страница. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти.

Виртуальная же память существует только как продукт деятельности операционной системы (функционирующей на основе совместного использования внешней и страничной памяти).

Загрузить программу в виртуальную память - значит переписать несколько программных страниц из внешней страничной памяти в основную память. Если в процессе выполнения программы А система обнаружит, что требуемой страницы нет в реальной памяти, она должна переслать копию этой страницы из внешней страничной памяти в реальную память. Этот механизм называется принудительным страничным обменом.

Максимальный размер виртуальной памяти определяется только длиной физического адреса (32 бита): 2³² = 4 Гбайта. Размер страницы в IBM PC фиксирован - 4 Кбайта. При таком объеме страниц для адресации байтов внутри страницы необходимо 12 бит. Поэтому адрес виртуальной памяти состоит из двух частей: номера страницы (20 бит) и смещения (12 бит)

Сегмент в виртуальной памяти не влияет на ее размер. Он имеет логический характер, позволяющий специализировать соответствующую часть памяти, определять допустимый характер ее использования Например, с помощью сегментации можно выделить часть памяти для размещения в ней программ, часть - для размещения данных, часть - для размещения стека. Можно выделить часть памяти только для чтения или для полного доступа и т.д.

Учитывая, что при виртуальной организации в основной памяти хранится только часть страниц, а основным хранилищем информации являются слоты на жестком диске, номера виртуальных страниц необходимо преобразовывать в номера физических страниц (слотов), в которых должны содержаться такие данные, как имя накопителя, номер цилиндра, номер головки, номер трека, номер сектора и т.д. Это преобразование осуществляется при помощи таблицы страниц. Если производить такое преобразование за один этап, потребуется линейная таблица, содержащая 1М элементов. При размере элемента таблицы 4 байта для хранения таблицы страниц необходим блок памяти 4 Мбайта, причем в мультизадачной среде такая таблица может потребоваться для каждой задачи. Содержать эти страницы в ОП практически невозможно Поэтому в современных системах реализовано более гибкое двухуровневое преобразование, при котором линейный адрес делится не на две части (номер виртуальной страницы - 20 бит, смещение - 12 бит), а на три: каталог - 10 бит, таблица - 10 бит, смещение - 12 бит В основной памяти при таком подходе постоянно должны храниться только каталог и активные таблицы страниц.

В каждой записи каталога страниц один из служебных битов (бит присутствия) указывает, является ли данная таблица активной (т.е. присутствует она ли в основной памяти). В записях каждой активной таблицы страниц аналогичный бит присутствия отмечает страницы, которые в настоящий момент находятся в основной памяти. Благодаря такой организации сокращается число обращений к внешней памяти, что сказывается на производительности ЭВМ.