21.4. Логическая организация памяти.
Логическая организация памяти ПК определяется не только применяемой операционной системой, но и особенностями аппаратной реализации IBM-совместимых ПК.
В настоящее время можно выделить пять важнейших областей оперативной памяти:
- CMA (Conventional Memory Array) - стандартная оперативная память;
- EMS (Expanded Memory Specification) – дополнительная память;
- UMA (Upper Memory Area) – память в верхних адресах памяти;
- HMA (High Memory Area) – область высокой памяти;
- XMS (Extended Memory Specification) - расширенная память.
Краткая историческая справка.
Используемый в первых IBM РС (РС/ХТ) процессор i8086/88 через свои 20 адресных линий обеспечивал доступ к пространству памяти объемом всего в 1 Мбайт. Но в то время, когда появились эти компьютеры, возможность доступа увеличения оперативной памяти в 10 раз (по сравнению с обычным 64 Кбайт) была просто фантастической. Отсюда, наверное, и появилась “волюнтаристская” цифра 640 Кбайт. Эти первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM – совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (Conventional Memory Area - СМА).
Оставшиеся 384 Кбайт были зарезервированы для системного использования и получили название памяти в верхних или высших адресах (High Dos Memory или Upper Memory Area - UMA). Эта область памяти резервируется под размещение системногоROMBIOS(ReadOnlyMemoryBasicInput/OutputSystem), видеопамяти и модулей постоянной и оперативной памяти, конструктивно расположенных на платах расширения, подключенных к компьютеру. Свободные области UMA обычно используются программами-администраторами расширенной памяти для помещения в них резидентных программ и ядра DOS. Свободных фрагментов в UMA несколько, они называютсяблоками верхней памяти (Upper Memory Blocks, UMB). Так как размеры блоков UMB невелики, то нерезидентные программы туда обычно не загружаются в связи с тем, что программный код должен занимать непрерывную область памяти.
С увеличением адресных линий процессоров последующих поколений, появилась возможность непосредственной адресации пространства памяти объемом более 1 Мбайта. При этом, память, располагаемая по адресам, превышающим 1 Мбайт, получила название области расширенной памяти (eXtended Memory Area, XMA). Емкость ее ограничивается максимальным размером памяти, который допускает материнская плата компьютера. В XMA входит так называемаяобласть высокой памяти (High Memory Area, HMA). Она возникла как "самостоятельная память" из-за ошибки разработчиков микропроцессора 80286, что позволило адресовать первые 65520 байт, находящиеся сразу за границей первого мегабайта в реальном режиме. Для исправления этой ошибки, т.е. ликвидации возможности непосредственной адресации высокой памяти, в компьютер класса АТ установлен специальный вентиль линии А20 шины адреса – GateA20, который либо пропускает сигнал от процессора, либо принудительно обнуляет линию А20 системной шины адреса. Действие его можно отключить программно или аппаратно. Это позволяет использовать высокую память, как для хранения данных, так и для загрузки выполняемых программ.
Пояснение.
Максимальный адрес, который может быть передан по 20-разрядной шине адреса МП i8086 –FFFFFH. Учитывая, что физический адрес в указанном МП формируется из двух 16-ти разрядных компонент <сегмент>:<смещение>, то максимальный двоичный код, получаемый в результате формирования адреса при максимальных значениях компонент (FFFFH:FFFFH) будет – 10FFEFH. В процессоре i8086 нет адресной линии А20 и старшая единичка просто теряется. Это приводит к тому, что на шине адреса формируется код 0FFEFH и память фактически сворачивается в кольцо с небольшим «нахлестом».
Начиная с процессора 80286 шина адреса была расширена до 24 бит, а впоследствии до 36 бит. Вследствие этого, та самая единица, отбрасываемая в процессоре 8086, теперь стала попадать на шину адреса и в результате, максимально доступный линейный адрес в реальном режиме достиг 10FFEFH.
Распределение памяти для ПК типа IBM PC/AT показано на рис.21.1.
Рис.21.1.
Дополнительная или expanded-память
Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Свободна, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS(ExpandedMemorySpecification), разработанная фирмамиLotusDevelopment, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM - спецификацией) еще в 1985 г. и позволяющая использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Спустя четыре месяца после появления EMS другая группа крупных производителей аппаратного и программного обеспечения (AST, Quadram и Ashon-Tate) представила усовершенствованную спецификацию EMS (Enhanced EMS, EEMS), которая была совместима снизу вверх с EMS. А в 1987 г. фирма Intel внесла расширенные возможности LIM/EMS в свой новый микропроцессор i80386. Появилась, по сути, новая спецификация - LIM/EMS 4.0. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. Выделяется незанятое "окно" (page frame) в 64 Кбайт, которое разбито на 16-килобайтные страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой 16-килобайтный сегмент этой дополнительной expanded-памяти в любой из выделенных 16-килобайтных страниц окна. Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в окне (адрес ниже 1 Мбайт), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно окна на несколько мегабайт (рис.21.1.).
Спецификация LIM/EMS 4.0 позволяет использовать до 2048 логических страниц и расширить объем адресуемой памяти до 32 Мбайт. Кроме того, как и в EEMS, физические страницы могут быть расположены в любом месте памяти и иметь размер, отличный от 16 Кбайт. Таким образом могут задействоваться области видеопамяти и UMB. Возможности спецификации позволяют, в частности, организовать многозадачный режим работы. В компьютерах на процессоре i8088 для реализации Expanded - памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой подкачки блоков (страниц) памяти (Paging Unit) и соответствующий драйвер типа EMM (Expanded Memory Manager), так как понятно, что сам процессор i8088 об этой памяти "ведать не ведает".
Разумеется, дополнительные платы Expanded - памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше, но на машинах с процессором 80386 и выше специальная плата не нужна, так как они имеют аппаратные средства для преобразования логических адресов в физические. Для эмуляции (организации) EMS на таких ПК достаточно драйвера, например, EMM386.EXE.
Спецификацией EMS могут пользоваться только специально разработанные программы. В связи с необходимостью частого переключения страниц и копирования их в UMA, отображаемая память работает довольно медленно.
Расширенная, или Extended-память
Компьютеры, использующие процессор i80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 - 4 Гбайта памяти. Такая возможность появляется только при защищенном режиме работы процессора (protected mode), который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт (не надо путать 1 Мбайт ОЗУ и 1 Мбайт адресного пространства). Для работы с extended-памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. Микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно легко, чего не скажешь о i80286.
При наличии соответствующего программного драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную. Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать микропроцессор не ниже i80286 или вспомогательный набор специальных микросхем. Архитектура оперативной памяти имеет в этом случае вид, представленный на рис.21.2.
Рис.21.2.
Следует заметить, что многие платы памяти, поддерживающие стандарт LIM/EMS, могут использоваться также и в качестве Extended-памяти. Например такие, как Above Board Plus фирмы Intel и Sixpak 286 фирмы AST Resesrch.
XMS является значительным шагом по сравнению с EMS:
- ее быстродействие значительно выше;
- дает возможность доступа ко всей памяти установленной в компьютере дополнительной памяти, например, резидентная часть DOS загружается в HMA, что частично освобождает стандартную память для выполняемых программ.