Распределение адресного пространства

Не следует думать, что термины "адресное пространство" и "оперативная память" эквивалентны. Адресное пространство - это просто набор адресов, которые умеет формировать процессор; совсем не обязательно все эти адреса отвечают реально существующим ячейкам памяти. В зависимости от модификации персонального компьютера и состава его периферийного оборудования, распределение адресного пространства может несколько различаться. Тем не менее, размещение основных компонентов системы довольно строго унифицировано. Типичная схема использования адресного пространства компьютера приведена на рис. 1.5. Значения адресов на этом рисунке, как и повсюду дальше в книге, даны в шестнадцатеричной системе счисления.

Рис. 1.5. Типичное распределение адресного пространства.

Первые 640 Кб адресного пространства с адресами от 00000h до 9FFFFh (и, соответственно, с сегментными адресами от 0000h до 9FFFh) отводятся под основную оперативную память, которую еще называют стандартной (conventional). Начальный килобайт оперативной памяти занят векторами прерываний, которые обеспечивают работу системы прерываний компьютера, и включает 256 векторов по 4 байта каждый. Вслед за векторами прерываний располагается так называемая область данных BIOS, которая занимает всего 256 байт, начиная с сегментного адреса 40h. Сама BIOS (от Basic In-Out System, базовая система ввода-вывода) является частью операционной системы, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве. Это запоминающее устройство (ПЗУ BIOS) располагается на системной плате компьютера и является, таким образом, примером встроенного, или "зашитого" программного обеспечения. В функции BIOS входит тестирование компьютера при его включении, загрузка в оперативную память собственно операционной системы MS-DOS, хранящейся на магнитных дисках, а также управление штатной аппаратурой компьютера - клавиатурой, экраном, дисками и прочим. В области данных BIOS хранятся разнообразные данные, используемые программами BIOS в своей работе. Так, здесь размещаются:

· входной буфер клавиатуры, куда поступают коды нажимаемых пользователем клавиш;

· адреса видеоадаптера, а также последовательных и параллельных портов;

· данные, характеризующие текущее состояние видеосистемы (форма курсора и его текущее положение на экране, видеорежим, используемая видеостраница и проч.);

· ячейки для отсчета текущего времени и т.д.

Область данных BIOS заполняется информацией в процессе начальной загрузки компьютера, а затем динамически модифицируется системой по мере необходимости. Многие прикладные программы, особенно, написанные на языке ассемблера, обращаются к этой области с целью чтения или модификации содержащихся в них данных. С некоторыми ячейками области данных BIOS мы столкнемся при рассмотрении примеров конкретных программ.

В области памяти, начиная с адреса 500h, располагается собственно операционная система MS-DOS, которая обычно занимает несколько десятков Кбайт. Программы MS-DOS, как и другие системные составляющие (векторы прерываний, область данных BIOS) записываются в память автоматически в процессе начальной загрузки компьютера.

Вся оставшаяся память до границы 640 Кб свободна для загрузки любых системных или прикладных программ. Как правило, в начале сеанса в память загружают резидентные программы (русификатор, антивирусные программы). При наличии резидентных программ объем свободной памяти уменьшается.

Оставшиеся 384 Кб адресного пространства между границами 640 Кб и 1 Мб, называемые старшей, или верхней (upper) памятью, первоначально были предназначены для размещения постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Практически под ПЗУ занята только небольшая часть адресов, а остальные используются в других целях.

Часть адресного пространства старшей памяти отводится для адресации к графическому и текстовому видеобуферам графического адаптера. Графический адаптер представляет собой отдельную микросхему или даже отдельную плату, в состав которой входит собственное запоминающее устройство (видеопамять). Это запоминающее устройство не имеет никакого отношения к оперативной памяти компьютера, однако, его схемы управления настроены на диапазоны адресов A0000h...AFFFFh и B8000h...BFFFFh, входящих в общее с памятью адресное пространство процессора. Поэтому любая программа может обратиться по этим адресам и, например, записать данные в видеобуфер, что приведет к появлению на экране некоторого изображения. Если видеосистема находится в текстовом режиме, а запись осуществляется по адресам текстового видеобуфера, на экране появятся изображения тех или иных символов (букв, цифр, различных знаков). Если же перевести видеосистему в графический режим, и записывать данные в графический видеобуфер, то на экране появятся отдельные точки или линии. Можно также прочитать текущее содержимое ячеек видеобуфера.

В самом конце адресного пространства, в области адресов F0000h...FFFFFh, располагается ПЗУ BIOS - постоянное запоминающее устройство, о котором уже говорилось выше.

Часть адресного пространства, начиная с адреса C0000h, отводится еще под одно ПЗУ - так называемое ПЗУ расширений BIOS для обслуживания графических адаптеров и дисков.

В состав компьютера, наряду со стандартной памятью (640 Кб), входит еще расширенная (extended) память, максимальный объем которой может доходить до 4 Гбайт. Эта память располагается за пределами первого мегабайта адресного пространства и начинается с адреса 100000h. Реально на машине может быть установлен не полный объем расширенной памяти, а лишь несколько десятков Мбайт или даже меньше.

Поскольку функционирование расширенной памяти подчиняется "спецификации расширенной памяти" (Extended Memory Specification, сокращенно XMS), то и саму память часто называют XMS-памятью. Как уже отмечалось выше, доступ к расширенной памяти осуществляется в защищенном режиме, поэтому для MS-DOS, работающей только в реальном режиме, расширенная память недоступна. Однако в современные версии MS-DOS включается драйвер HIMEM.SYS, поддерживающий расширенную память, т.е. позволяющий ее использовать, хотя и ограниченным образом. Конкретно в расширенной памяти можно разместить электронные диски (с помощью драйвера RAMDRIVE.SYS) или дисковые кэш-буферы (с помощью драйвера SMARTDRV.SYS).

Первые 64 Кб расширенной памяти, точнее, 64 Кб - 16 с адресами от 100000h до 10FFEFh, носят специальное название область старшей памяти (High Memory Area, HMA). Эта область замечательна тем, что хотя она находится за пределами первого мегабайта, к ней можно обратиться в реальном режиме работы микропроцессора, если определить сегмент, начинающийся в самом конце мегабайтного адресного пространства, с сегментного адреса FFFFh, и разрешить использование адресной линии А20. Первые 16 байт этого сегмента заняты ПЗУ, область же со смещениями 0010h...FFFFh можно, в принципе, использовать под программы и данные. MS-DOS позволяет загружать в HMA (директивой файла CONFIG.SYS DOS=HIGH) значительную часть самой себя, в результате чего занятая системой область стандартной памяти существенно уменьшается. Старшую память обслуживает тот же драйвер HIMEM.SYS, поэтому загрузка DOS в HMA возможна, только если установлен драйвер HIMEM.SYS.

Как видно из приведенного выше рисунка, часть адресного пространства верхней памяти, не занятая расширениями BIOS и видеобуферами, оказывается свободной. Эти свободные участки можно использовать для адресации к расширенной памяти (конечно, не ко всей, а лишь к той ее части, объем которой совпадает с общим объемом свободных адресов старшей памяти). Отображение расширенной памяти на свободные адреса старшей памяти выполняет драйвер EMM386.EXE, а сами участки старшей памяти, "заполненные" расширенной, называются блоками верхней памяти (Upper Memory Blocks, UMB). MS-DOS позволяет загружать в UMB устанавливаемые драйверы устройств, а также резидентные программы. Загрузка системных программ в UMB освобождает от них стандартную память, увеличивая ее транзитную область. Загрузка в UMB драйверов осуществляется директивой файла CONFIG.SYS DEVICEHIGH (вместо директивы DEVICE), а загрузка резидентных программ - командой DOS LOADHIGH. На оптимально сконфигурированном компьютере системными компонентами заняты лишь около 20...25 Кб основной памяти, а вся остальная память в объеме около 620 Кб может использоваться для загрузки прикладных программ.

Режимы адресации

Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.

Режим адресации памяти - это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.

Все способы адресации памяти можно разделить на:
1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);
2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).

В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП.

Адресация информации – это способ использования адресной части команды для определения местонахождения информации в памяти ЭВМ. Следует отметить, что в адресном пространстве процессора информация адресуется обычно с точностью до байта.

Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд, что отражается на размере полей кода операции, на размере и количестве полей адресной части, т.е. формате команд. Форматы команд в значительной степени определяются методами адресации, количеством операндов, предполагаемым объемом оперативной памяти (ОП), количеством регистров общего назначения (РОН), а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Поэтому в современных RISC – процессорах, в отличии от CISC - процессоров используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд.

Данные, которые обрабатываются командами, могут находиться в самой команде, в регистрах процессора, в ячейках оперативной памяти. Надо помнить, что адресоваться могут не только операнды, но и те места в памяти, куда они или результаты операции будут записываться. При адресации ОП существуют понятия логического и физического адреса. Логическим адресом оперирует программа, которая не привязана к определенным адресам ОП и может располагаться в ее любом месте. Для чтения или записи данных на основании данных о логическом адресе, должен быть сформирован физический или исполнительный адрес, однозначно определяющий место ячейки в ОП.

Среди способов адресации можно выделить следующие:

- непосредственная адресация,
- прямая регистровая адресация,
- неявная адресация,
- прямая адресация,
- страничная адресация,
- относительная или базовая адресация,
- косвенная адресация,
- косвенная регистровая адресация,
- индексная адресация,
- индексно - относительная адресация,