Распределение пространства памяти

Пространство памяти в PC-совместимых компьютерах используется для разме­щения собственно памяти (ОЗУ, ПЗУ), а также регистров (и областей локаль­ной памяти) периферийных устройств. Распределение пространства памяти PC обусловлено особенностями системы адресации процессоров семейства х86 и требованиями обратной совместимости PC с ПО всех предшествующих поко­лений. Адресуясь в пространстве памяти, центральный процессор и активные устройства (мастера шин) могут обращаться и к памяти периферии, отображен­ной на это пространство. Отметим, что в логическом распределении памяти фи­гурирует физическая память (оперативная и постоянная), а кэш является лишь «прозрачным» средством повышения ее производительности и не представляет отдельно адресуемых областей.

Процессоры 8086/88, применявшиеся в первых моделях PC, имели доступное адресное пространство 1 Мбайт (20 бит шины адреса). Эти процессоры исполь­зовали сегментную модель памяти, унаследованную и позднейшими моделями в реальном режиме. Согласно этой модели, исполнительный (линейный) адрес вычисляется по формуле Addr == Seg • 16 + Offset, где Seg и Offset — содержимое сегментного и адресного регистров (16-разрядных). Таким образом обеспечи­вался доступ к адресному пространству Addr = 00000 - FFFFFh при помо­щи пары 16-битных регистров. Заметим, что при Seg = FFFFh и Offset = FFFFh данная формула дает адрес lOFFEFh, но ввиду 20-битного ограничения на шину адреса эта комбинация в физической памяти указывает на адрес OFFEFh. Таким образом, адресное пространство как бы сворачивается в кольцо с неболь­шим «нахлестом». Начиная с процессора 80286, шина адреса была расширена до 24 бит, а впоследствии (386DX, 486 и выше) до 32 и даже 36 (у процессоров Р6). В реальном режиме процессора, используемом в DOS, применяется та же сегментная модель памяти и формально доступен лишь 1 Мбайт памяти, что является недостаточным для большинства современных приложений. Процес­соры 80286, с которых началась жизнь IBM PC/AT, эмулируют 8086 с ошибкой: та самая единица в бите А20, которая отбрасывалась в процессо­рах 8086/88, теперь попадает на шину адреса и в результате максимально доступный линейный адрес в реальном режиме достигает lOFFEFh. За эту ошибку с радостью ухватились разработчики PC, поскольку дополнительные (64 К - 16) байты оперативной памяти, адресуемой в реальном режиме, оказа­лись подарком, позволяющим освободить дефицитное пространство оператив­ной памяти для прикладных программ. В эту область (lOOOOOh - lOFFEFh), на­званную высокой памятью (High Memory Area, HMA), стали помещать часть операционной системы и небольшие резидентные программы. Однако для пол­ной совместимости с процессором 8086/88 в схему PC ввели вентиль линии А20 шины адреса — GateA20> который либо пропускает сигнал от процессора, либо принудительно обнуляет линию А20 системной шины адреса. Старшие биты такой «заботы» не требуют, поскольку переполнение при суммировании 16-битных компонентов адреса по данной схеме до них не распространяется. Управление этим вентилем подключили к свободному программно-управляе­мому выходному биту 1 контроллера клавиатуры 8042, ставшего стандартным элементом архитектуры PC, начиная с AT. Предполагалось, что этим вентилем часто пользоваться не придется. Однако жизнь внесла свои поправки, и оказа­лось, что переключение вентиля в многозадачных ОС, часто переключающих процессор между защищенным режимом, реальным режимом и режимом V86, контроллером клавиатуры выполняется слишком медленно. Так появились альтернативные методы быстрого переключения вентиля, специфичные для различных реализаций системных плат (например, через порт 92h). Кроме того, иногда использовали и аппаратную логику быстрого декодирования команды на переключение бита, поступающую к контроллеру клавиатуры. Для опреде­ления способа переключения в утилиту CMOS Setup ввели соответствующие параметры (см. 6.6), позволяющие выбрать между стандартным, но медленным способом и менее стандартизованным, но быстрым, в зависимости от исполь­зуемого ПО.

Поскольку ошибка эмуляции 8086 была радостно принята и широко использо­валась, ее повторили в 386 и в следующих моделях процессоров. А для упроще­ния внешних схем в процессоры, начиная с 486, ввели и вентиль GateA20 с со­ответствующим внешним управляющим выводом.

Распределение памяти PC, физически адресуемой процессором, проиллюст­рировано рис. 4.2 и представляется следующим образом:

♦ Адреса 00000h-9FFFFh (640 Кбайт) — стандартная, или базовая, память
(conventional, или base, memory). Доступна DOS и программам реального
режима. В некоторых системах с видеоадаптером MDA верхняя граница
сдвигается к AFFFFh (704 Кбайт). Иногда верхние 128 Кбайт стандартной
памяти (область 80000h-9FFFFh) называют расширенной базовой памятью
(extended conventional memory).

♦ Адреса AOOOOh-FFFFFh (384 Кбайт) — верхняя память (Upper Memory
Area, UMA). Зарезервирована для системных нужд. В ней размещаются об­
ласти буферной памяти адаптеров, подключенных к шине ISA (например,
видеопамять), и постоянная память (BIOS с расширениями). Эта область, обычно используемая не в полном объеме, ставит архитектурный барьер на пути непрерывной (нефрагментированной) памяти, удобной для программ­ного применения.

Память выше lOOOOOh — дополнительная, или расширенная, память (exten­ded memory). Непосредственно доступна только в защищенном (и в «боль­шом реальном») режиме для компьютеров с процессорами 286 и выше. В ней выделяется область lOOOOOh-lOFFEFh — высокая память (НМА) — единственная область расширенной памяти, доступная 286+ в реальном ре­жиме при открытом вентиле Gate A20.

Область памяти выше первого мегабайта в различных источниках называется по-разному. Ее современное английское название — extended memory — пересе­кается с названием одной из спецификаций ее использования — extended me­mory specification. В то же время название другой спецификации — expanded memory specification — в прямом переводе на русский язык неотличимо от пере­вода предыдущего термина (оба термина, и «extended» и «expanded», перево­дятся как «расширенный»). Будем придерживаться терминологии, укрепившей­ся в литературе, выпущенной издательством «Питер», и область всей физиче­ской памяти, расположенной в адресном пространстве выше первого мегабайта, назывем дополнительной памятью. Ее объем указывалтся строкой Extended Memory xxxxx Kbyte в таблице, выводимой после прохождения теста POST, и в меню стандартной конфигурации CMOS Setup. В современных компьютерах указывается общий объем оперативной памяти

Верхняя граница адресуемой памяти определяется разрядностью шины адреса процессора и системной шины; эти разрядности могут и не совпадать (ограни­чение дает компонент с минимальной разрядностью). В старших адресах памя­ти находится образ ПЗУ BIOS: в нем располагается программа начального за­пуска компьютера (POST), стартующая с фиксированного адреса. Оперативная память начинается с младших адресов, что обусловлено фиксированным поло­жением таблицы векторов прерываний в реальном режиме (она начинается с нулевого адреса). Области пространства памяти, отводящиеся для отображе­ния периферии, находятся в местах, не занятых оперативной и постоянной па­мятью.

Для первых компьютеров на процессорах 8086/88 с 20-битной шиной адреса верхняя граница адресуемой памяти — OF FFFFh. Область ПЗУ BIOS располо­жена по адресам ОЕ OOOOh-OF FFFFh; для оперативной памяти доступны об­ласть стандартной памяти (640 К) и некоторые области UMA. Память перифе­рийных устройств может располагаться только в UMA.

Для компьютеров класса АТ-286 с 24-битной шиной адреса верхняя граница ад­ресуемой памяти — FF FFFFh. Область FE OOOOh-FF FFFFh содержит ПЗУ BIOS (ROM BIOS Area), обращение к этой области эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам ОЕ OOOOh-OF FFFFh. В этих компьютерах для опера­тивной памяти доступна и область дополнительной памяти, максимальный раз­мер ОЗУ может достигать 15,9 Мбайт. Однако последний мегабайт (кроме об­ласти BIOS) может быть отдан для областей памяти периферии (дополни­тельно к UMA), так что объем ОЗУ окажется меньше 15 Мбайт.

Для процессоров 386+ и 32-битной шины адреса верхняя граница адресуемой памяти — FFFF FFFFh (4 Гбайт). Здесь образ BIOS находится в адресах FFFE OOOOh-FFFF FFFFh, для ОЗУ и памяти периферии остается почти 4 Гбайт. Для обеспечения совместимости BIOS дополнительно проецируется и в адреса Е OOOOh-F FFFFh (для программ, вызывающих сервисы BIOS по фиксированным адресам). Для периферии доступна область UMA, не занятая BIOS, и область, находящаяся выше границы ОЗУ (но ниже границы 4 Гбайт). Периферия, расположенная на шине PCI и ее «родственниках», может быть приписана к любым адресам (на PCI доступно все адресное пространство). Пе­риферия на шине ISA с ее 20-разрядным адресом может располагаться только в пределах первых 16 Мбайт: в UMA или в 16-м мегабайте памяти. Для адапте­ров ISA в CMOS Setup предусмотрен параметр Memory Hole At 15-16M, его уста­новка запрещает отображение на эти адреса оперативной памяти. В современ­ных версиях BIOS эта «дырка» не мешает использованию ОЗУ объемом свыше 15 Мбайт.

Современные процессоры с 64-битным расширением, как и 32-разрядные про­цессоры с 36-битной шиной адреса, позволяют адресовать память и выше 4-ги­габайтной границы. Объем установленного ОЗУ также может превышать 4 Гбайт, но для периферийных устройств предусмотрено «окно» под границей 4 Гбайт. В процессорах с 64-битным расширением есть пара специальных реги­стров, определяющих нижние границы адресов для устройств ввода-вывода, отображенных на память, для двух областей: под границей 4 Гбайт и под грани­цей физически адресуемой памяти (зависящей от модели процессора).

Иногда (в некоторых версиях BIOS для 32-разрядных процессоров) в CMOS Setup можно включить проекцию BIOS на область FE OOOOh-FF FFFFh (как в АТ-286). Особого смысла в этом нет (программы реального режима задейст­вуют образ в Е OOOOh-F FFFFh), однако включение этого параметра может соз­дать трудности для использования более 16 Мбайт ОЗУ (система воспринима­ет только найденную непрерывную область оперативной памяти).

Объем установленной оперативной памяти определяется тестом POST при на­чальном включении (перезагрузке) компьютера, начиная с младших адресов. Натолкнувшись на отсутствие памяти (ошибку), тест останавливается и сооб­щает системе объем реально работающей памяти. Установленные в Setup «дырки» под 16-м мегабайтом современные версии BIOS успешно обходят. Со­временные системные платы позволяют установить ОЗУ, объем которого ис­числяется уже гигабайтами. Возможность использования тех или иных облас­тей оперативной памяти определяется типом операционной системы: ОС ре­ального (MS-DOS и аналогичные) или защищенного режима (Windows, Unix, Linux).

Физическое распределение адресного пространства выполняется программиро­ванием регистров чипсета системной платы и мостов шин расширения. Север­ный хаб (или мост) чипсета определяет диапазоны адресов, которые обслужи­вает контроллер памяти (с «вырезами» в области UMA и другими «дырками»). Распределением оставшейся части занимаются мосты иерархии шин PCI (в эту иерархию входят мосты AGP, PCI-X и PCI-E), к которым могут подключаться и мосты старых шин (ISA).

Память для режима SMM

Компьютеры, использующие режим системного управления (System Manage­ment Mode, SMM), поддерживаемый большинством процессоров последних по­колений, имеют еще одно адресное пространство памяти — SMRAM (System Management RAM). Это адресное пространство «параллельно» пространству обычной памяти и при работе доступно процессору только в режиме SMI. Па­мять SMRAM может представлять собой часть физической оперативной памяти, хотя может быть реализована и отдельной микросхемой памяти. Объем памяти для режима SMM может варьироваться в диапазоне от 32 Кбайт (минимальные потребности SMM) до 4 Гбайт. SMRAM располагается, начиная с адреса SMIBASE, и распределяется следующим образом:

♦ SMIBASE+(FEOOh-FFFFh) — область сохранения контекста процессора (рас­
пределяется, начиная со старших адресов по направлению к младшим). По пре­
рывании SMI здесь сохраняются почти все регистры процессора, но сохране­
ние регистров FPU/MMX не производится.

♦ SMIBASE+8000h — точка входа в обработчик (SMI handler).

SMIBASE+(0-7FFFh) - свободная область.

После сброса процессора устанавливается SMIBASE = 0003 OOOOh, и первое же прерывание SMI вызовет сохранение контекста в область 0003 FEOOh - 0003 FFFFh и запуск обработчика по адресу 0003 8000h. При этом процессор генери­рует специальный выходной сигнал SMIACT#, означающий доступ к памяти SMRAM. Код обработчика, естественно, должен быть помещен в эту область до вызова SMI. Если для SMRAM используется системное ОЗУ, то область SMRAM перемещают в старшие адреса. Это можно сделать только обработчи­ком прерывания SMI, заменив образ регистра SMIBASE в сохраненной области контекста. После выхода из прерывания SMI это назначение вступит в силу, и следующий вход в SMM уже будет производиться по новым адресам. Область SMRAM должна исключаться из области ОЗУ, доступной операционной систе­ме (обработчик SMI является более низкоуровневой процедурой, чем драйверы ОС).

Верхняя память — UMA

Верхняя память имеет области различного назначения, которые могут быть за­полнены буферной памятью адаптеров, постоянной памятью или оставаться не­заполненными. В первое время эти «дыры» не использовали из-за сложности «фигурного выпиливания» адресуемого пространства. С появлением механиз­ма страничной переадресации (у процессоров 386 и выше) их стали по возмож­ности заполнять «островками» оперативной памяти, названными блоками верхней памяти (Upper Memory Block, UMB). Эти области доступны DOS для размещения резидентных программ и драйверов через драйвер EMM386, кото­рый отображает в них доступную дополнительную память.

Стандартное распределение верхней памяти выглядит следующим образом (рис. 4.3):

♦ Адреса AOOOOh-BFFFFh (128 Кбайт) - видеопамять (Video RAM, VRAM).
Обычно используется не полностью.

♦ Адреса COOOOh-DFFFFh (128 Кбайт) — резерв для адаптеров (adapter ROM
и adapter RAM), использующих собственные модули ROM BIOS или/и спе­
циальное ОЗУ, разделяемое с системной шиной.

♦ Адреса EOOOOh-EFFFFh (64 Кбайт) — свободная область, иногда занятая под
системные модули BIOS (system BIOS).

♦ Адреса FOOOOh-FFFFFh (64 Кбайт) - системные модули BIOS.

♦ Адреса FDOOOh-FDFFFh - ESCD (Extended System Configuration Data) -
область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования
устройств Plug and Play. Эта область имеется только при наличии РпР
BIOS, ее положение и размер жестко не заданы.

В области UMА практически всегда присутствует графический адаптер. В зави­симости от модели он занимает следующие области:

♦ MDA RAM - BOOOOh-BOFFFh.

♦ CGA RAM - B8000h-BBFFFh.

♦ EGA ROM - C0000h-C3FFFh/C7FFFh.

♦ VGA ROM - C0000h-C7FFFh.

♦ EGA, VGA RAM — AOOOOh-BFFFFh, в зависимости от видеорежима исполь­
зуются следующие области:

• Graphics - AOOOOh-AFFFFh;

• Color Text - B8000h-BFFFFh;

• Mono Text - B0000h-B7FFFh.

Также распространенным потребителем UMA являются расширения ROM BIOS, расположенные на платах дисковых контроллеров, а еще микросхемы удален­ной загрузки (boot ROM) на платах адаптеров ЛВС. Обычно они занимают об­ласть C8000h — CBFFFh/C9FFFh/C8FFFh (для дисковых контроллеров), но могут и перемещаться при конфигурировании адаптеров.

Размер области, занимаемой системными модулями ROM BIOS, колеблется от 8 Кбайт у PC/XT до 128 Кбайт, однако разумное значение — 64 Кбайт. Боль­шая область использовалась «на радостях» от появления микросхем ROM и флэш-памяти объемом 1 Мбит (128К х 8), но при этом размер доступной па­мяти UMA сократился. Тогда стали микросхемы того же (и большего) объема отображать только на область FOOOOh-FFFFFh (64 Кбайт), а иногда и мень­шую. Это оказалось возможным, поскольку не все содержимое микросхемы ROM BIOS должно быть доступно одновременно. Таким образом удалось при­мирить интересы пользователей UMB с необходимостью расширения объема BIOS, связанной с усложнением технических средств.

Поиск по сайту: