Область верхней памяти (HMA)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11 РАБОТА С ОЗУ. АДРЕСНОЕ ПРОСТРАНСТВО.

Общие сведения об оперативной памяти

Оперативная память компьютера, иначе называемая оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью (например, дисковой) и различными подсистемами (видеоподсистема, подсистема ввода/вывода, коммуникации и т.д.). ОЗУ представляет собой память с произвольным доступом, поэтому для ее обозначения часто применяется аналогичное английское понятие RAM (Random Access Memory). Произвольность доступа подразумевает возможность операций чтения/записи с любой ячейкой ОЗУ в произвольном порядке. Основными требованиями, предъявляемыми к оперативной памяти являются следующие:

• Большой (по меркам электронной памяти) объем, измеряемый десятками и сотнями мегабайт.
• Быстродействие и производительность, позволяющие наиболее эффективно задействовать мощь современных процессоров.
• Высокая надежность хранения данных.

Физически ОЗУ представляет собой просто набор последовательно расположенных ячеек, каждая из которых определяется собственным уникальным адресом. В сумме все ячейки оперативной памяти образуют адресное пространство (address space). В простейшем случае адресом некоторой ячейки памяти является просто ее номер относительно начала адресного пространства - нулевого адреса. В реальности же дело обстоит совсем иначе, поскольку по многим причинам программы не всегда могут использовать простейшую схему адресации оперативной памяти. Поэтому с точки зрения программиста наиболее важна не физическая, а логическая организация памяти. Логическая организация адресного пространства - это совокупность способов использования программами и операционными системами оперативной памяти компьютера.

Рис 1. Распределение памяти в IBM PC

Стандартная память

По причинам исторического характера программы, являющиеся совместимыми с операционной системой MS-DOS и ее клонами, могут использовать в своей работе только первый мегабайт из всей памяти, установленной на компьютере, если не применяются специальные средства поддержки. Для объяснения этого обстоятельства следует обратить внимание на особенности архитектуры процессора Intel 8086 – базового процессора семейства 80x86. В процессоре 8086 16 ножек (pins) посылают сигналы, соответствующие 16 битам текущих данных, которыми процессор обменивается с системным ОЗУ. Однако данные не имеют никакого смысла сами по себе, если нет возможности следить за тем, что они собой представляют. Системная шина должна знать, куда направляются конкретные данные или откуда они поступили. Для выполнения этой задачи процессор использует еще 20 из своих ножек для создания уникальных адресов памяти. Это дает возможность процессору семейства 8086/8088 адресовать 2 в степени 20 уникальных байтов, что и соответствует 1 мегабайту памяти. В оригинальной архитектуре персонального компьютера 640 Кб из этого 1 Мб было зарезервировано под DOS и прикладные программы, работающие под ее управлением, а область с 640 Кб до 1 Мб была зарезервирована для системного пользования. Большая часть 640 килобайт обычной памяти используется почти постоянно, но в области служебных адресов существуют участки, которые система не использует и которые могут быть доступны для других целей. Участки системной памяти, расположенные между 640 килобайт и 1 мегабайт интенсивно используются программами-расширителями памяти, такими, как Microsoft EMM386, Quarterdeck QEMM и Qualitas 386MAX.

Предварительно следует дать необходимые понятия о разделении адресного пространства в пределах 1 Мб на регионы. Общепринято делить 1 Мб памяти на 16 последовательных участков по 64 Кб каждый. Эти участки, помечаются шестнадцатеричными целыми числами от 0 до F, т.е., 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. Из этих регионов DOS получает в свое распоряжение области с номерами 0 - 9 (10 первых участков по 64 Кб, итого 640 Кб), а остальные 6 участков памяти, расположенные между 640 Кб и 1 Мб (участки с номерами A, B, C, D, E, F), относятся к области служебных адресов и поступают в распоряжение системы. Удобство подобного разделения заключается в том, что номеру какого-либо 64Кб-региона может быть легко поставлен в соответствие адрес этого региона в адресном пространстве 1 Мб путем добавления 3 цифр справа к номеру региона.

16 (10 в шестнадцатеричной нотации). Это объясняется тем, что адрес, задаваемый в программе, может быть выражен 16-разрядным числом, т.е. содержать не более 4-х шестнадцатеричных цифр. Адресная шина процессора имеет 20 разрядов, поэтому перед вычислением адреса он переводится из 16-разрядной формы в 20-разрядную путем добавления справа еще одной шестнадцатеричной цифры, что эквивалентно умножению на 10 в шестнадцатеричной нотации или на 16 – в десятичной. Выполнив теперь перевод полученного адреса региона А – А0000 в десятичную форму получим число 655360, что доказывает, что регион с номером А находится как раз над границей памяти DOS в 640 Кб.´Рассмотрим это на конкретном примере. Итак, регион А находится в адресном пространстве непосредственно за областью в 640 Кб, то есть, говоря иными словами, адрес его должен превышать 655359 байт (учитывая, что отсчет адресов идет с 0, число 655359 как раз соответствует 640 Кб) в десятичной нотации или 9FFFF в шестнадцатеричной. С учетом вышесказанного, адрес региона с номером А в адресном пространстве будет выглядеть как А000. С точки зрения процессора, этот адрес будет выглядеть как А0000, т.е А000

Выполнив аналогичные вычисления для региона с номером С, получим следующие результаты:

1. Добавим 3 шестнадцатеричных цифры справа к номеру региона, получим С000.
2. 16 = С0000.´Для вычисления адреса по правилам процессора 8086 умножим этот адрес на 16: С000
3. Переведем его в десятичную форму: С0000 = 786432
4. Посчитаем сумму адресов, занимаемых предыдущими 12 регионами (0 - B): 12 * 65536 = 786431 (отсчет идет с 0!).

Таким образом, вновь доказана корректность вычислений и удобство принятого обозначения регионов. Каждый 64-килобайтный регион может быть дополнительно поделен на 16 областей размером в 4 Кб, которые также помечаются шестнадцатеричными числами. Например, область А разбивается на дополнительные области от 0 до F: A0, A1,..., AF. В отношении вычисления адресов этих дополнительных областей действует то же правило, что и для регионов, с той разницей, что к номеру области добавляются 2 цифры, а не 3, как в случае региона. Например, адрес области A7 может быть вычислен следующим образом:

1. Добавляем 2 цифры к номеру области: A700.
2. 16 = A7000.´Переводим адрес в эффективный адрес процессора: A700
3. Вычисляем его десятичное значение: A7000 = 684032.

Легко проверить, что если к 640 Кб, которые занимают 10 регионов, идущие перед регионом А, добавить адреса, занимаемые 7 4-килобайтными областями внутри региона А (А0 – А6), то получится:

655359 + 4096 * 7 = 684031

Все приведенные выше сведения, возможно, грешат излишней детальностью, но являются, тем не менее, исключительно важными для понимания дальнейшего изложения.

Расширенная память

Появление расширенной памяти (Extended Memory Specification – XMS) было обусловлено появлением процессора 80286, который имеет на четыре адресных линии больше, чем 8086/8088, что позволяет адресоваться к количеству адресов, большему в 16 раз (2 в степени 4), т.е. к 16 Мб. Адреса памяти выше предела 1MB и называются расширенной памятью. Характерной особенностью процессора Intel 80286 является возможность работы в 2-х режимах: в реальном режиме, в котором 80286 работает как более производительный 8086, и в защищенном, позволяющем адресовать память, лежащую за пределами 1-мегабайтного барьера. Работая в реальном режиме, 80286 не может получить доступа к расширенной памяти и по-прежнему ограничен 1 Мб адресуемого пространства. Чтобы использовать расширенную память, он должен работать в режиме виртуальной (защищенной) адресации. Изначально разработчики этого процессора не предусмотрели простого способа переключаться обратно в режим реальной адресации из режима виртуальной адресации (защиты). Это затруднило использование расширенной памяти в программах и она использовалась в основном под буферы ввода – вывода и печати. Однако, впоследствии, благодаря появлению специальных программ-расширителей – драйверов расширенной памяти – эта проблема была решена. Драйверы расширенной памяти обеспечивают полную поддержку расширенной памяти и позволяют программам осуществлять доступ к ней, а также выполнять программы из расширенной памяти. Наиболее популярными драйверами расширенной памяти являются HIMEM.SYS фирмы Microsoft и DOSHI.SYS фирмы Quarterdeck, входящий в состав пакета QEMM.

На компьютере с микропроцессором 80286, имеющем 24 адресных линии, можно получить до 15MB расширенной памяти (весь объем памяти составляет 16MB). Микропроцессоры 80386 и выше физически способны адресовать 4 гигабайта памяти, имея 32 адресные линии (2 в степени 32 байтов).

Дополнительная память

Дополнительная память (Expanded memory), часто называемая EMS (Expanded Memory Specification) или LIM (согласно ее разработчикам: Lotus, Intel и Microsoft), представляет собой способ доступа к памяти, лежащей за пределами 1 Мб, посредством окна размером 64 Кбайт, лежащего в области служебных адресов между 640 Кб и 1 Мб. При этом используется так называемая схема коммутации банков памяти (bankswitching) – способ управления памятью, когда физическая память разбита на несколько сегментов (банков) длиной, равной размеру адресного пространства процессора. В каждый момент процессор работает с одним банком. Память EMS логически подразделяется на участки размером по 16 Кбайт, называемые страницами. В процессе работы с дополнительной памятью часть содержимого банка размером в 4 страницы, или в 64 Кб отображается в определенный регион, лежащий в пределах 1 Мб, чаще всего в регион E. Данный регион принято называть EMS-фреймом. EMS-фрейм как бы «скользит» по всему адресному пространству банка, что позволяет программам, физически обращаясь к адресам в пределах 1 Мб, получать, тем не менее, доступ ко всей памяти, которая установлена на компьютере.

Дополнительная память особенно полезна потому, что, в отличие от расширенной памяти, она использует только адреса ниже границы в 1MB, следовательно, она может использоваться на машинах с процессорами 8086/8088, кроме того, при программировании нет необходимости использовать адреса, лежащие за пределами 1 Мб. Их отображение в EMS-фрейм будет выполнено драйвером дополнительной памяти. Недостатком EMS-памяти является некоторое замедление при обращении к памяти, которое объясняется накладными расходами, связанными с отображением страниц EMS в EMS-фрейм, переключением банков и т.д. Основными драйверами, обеспечивающими доступ к дополнительной памяти, являются EMM386 (Microsoft), QEMM (Quarterdeck) и 386MAX (Qualitas).

Область верхней памяти (HMA)

Начиная с процессора 80286 можно было наблюдать интересный эффект, связанный с тем, как происходит адресация в пределах 1 Мб. Согласно используемой при программировании в реальном режиме сегментной модели, все адресное пространство может быть представлено в виде пересекающихся между собой участков – сегментов размером в 64 Кб, которые должны начинаться с адреса, кратного 16. До тех пор, пока сегмент начинается с адресов, лежащих до 960 Кб включительно, все более или менее понятно. Однако, как быть в случае, когда сегмент начинается с адреса, лежащего выше 960 Кб? Ведь в этом случае все 64 Кб, входящие в сегмент, просто не уместятся в пределах 1 Мб. В случае с процессором 8086 просто-напросто происходил циклический возврат к началу. Например, если сегмент начинался, скажем, по адресу FB00 или 1028096 байт (1 Мб = 1048576 байт), то первые 4FFF или 20480 байт сегмента располагались в самом верху адресного пространства до 1 Мб включительно, а остальные B000 или 45056 байт – начиная опять с 0 адреса, то есть с самого начала адресного пространства процессора. В

процессоре 80286 ситуация изменилась, поскольку стало возможным адресовать физически более 1 Мб ОЗУ. Таким образом, когда процессор 80286 работает как 8086 и пытается получить доступ к одному из сегментов, лежащих близко к вершине адресного пространства, то адрес, полученный в результате операции будет лежать за пределами 1 Мб и, следовательно, возникает возможность обращаться к 64-килобайтной области (точнее, к 64 Кб минус 16 байт), лежащей за пределами 1 Мб, причем делать это в режиме реальной адресации, без каких-либо средств расширения DOS. Адресуемая подобным образом область размером почти в 64 Кб, лежащая в диапазоне 1024 Кб – 1088 Кб, получила название области верхней памяти (High Memory Area – HMA). В настоящее время типичным применением области HMА стало размещение в ней ядра DOS, что позволяет освободить дополнительно часть памяти ниже 640 Кб для пользовательских программ.

Чтобы ликвидировать разногласия в случаях, когда микропроцессор 80286 работает как микропроцессор 8086, в шину были встроены специальные средства (так называемый мост A20 – A20 Gate), которые заставляют память в режиме реального времени переходить циклически на низшие адреса, как это происходит в 8086/8088. Одним из применений драйвера HIMEM.SYS является отмена действия моста A20, что позволяет программам, написанным особым образом, обращаться к области HMA.

Верхняя память

Память в высших адресах или верхняя память (High Memory) – это область объемом 384 Кбайт, расположенная между границами 640 Кбайт и 1 Mбайт (адреса A000 до FFFF), зарезервированная IBM для системного аппаратного обеспечения – для видеопамяти, BIOS и прочего. Во многих случаях она, однако, используется не полностью, и в ней образуются «дыры» – свободные участки, которые не используются в служебных целях, но к которым не имеют прямого доступа программы, работающие в 640 Кб основной памяти. Посредством расширителей памяти – таких как EMM386 (производства Microsoft), QEMM (производства Quarterdeck) и 386MAX (производства Qualitas) можно управлять этой областью зарезервированной памяти и перенести туда резидентные программы из основной памяти, тем самым освобождая больше обычной памяти под прикладные программы.

Структура верхней памяти

Рис 2. Особенности адресации в процессорах Intel 8086 (a) и Intel 80286 и старших (б)

Для эффективного использования памяти, расположенной в верхних адресах, необходимо, прежде всего, знать, какие именно регионы этой памяти, используются всегда, а какие – зачастую остаются свободными.

Как уже упоминалось, верхняя память представлена 384 Кб, расположенными в адресном пространстве между 640 Кб и 1 Мб и включает в себя рассмотренные ранее регионы А, B, C, D, E и F. Следует сразу же заметить, что не существует четких стандартов на использование всех этих регионов. В общем случае использование участков верхней памяти определяется конкретной конфигурацией и может быть разным на разных машинах. В то же время существуют определенные рассматриваемые ниже соглашения об их распределении.

Регионы A и B зарезервированы для видеопамяти, но в большинстве случаев по крайней мере, часть их не используется. Оригинальный монохромный адаптер берет 4 Кбайт из региона B, чтобы разместить 4000 байт, необходимых для описания текстового экрана (25 строк на 80 столбцов, по 2 атрибута). Эта память начинается с адреса B000 и продолжается почти до адреса B100, хотя возможно использование области вплоть до B200 и даже B400 в зависимости от конкретной BIOS. В случае наличия в системе адаптера CGA для организации видеопамяти используется 16 Кбайт, лежащих в адресах от B800 до BC00. Хотя это оставляет остаток региона B в отрезке BC00h - C000h при наличии CGA в принципе свободным, им можно пользоваться только на свой риск, поскольку некоторые программы предполагают, что эта неиспользуемая видеопамять доступна и прекрасным образом испортят все, что программа управления памятью поместит в эту область. Адаптеры EGA и VGA используют область B800 - C000 для организации видеопамяти текстового режима и тех графических режимов, которые подражают CGA, а также всю область А для графики с высокой разрешающей способностью.

Другой стандартной областью является область F. В ней располагаются процедуры и данные BIOS и некоторая другая важная системная информация. Тем не менее, не все системы полностью занимают весь отведенный участок размером 64 Кб, и не все из этих 64 Кб нужны после загрузки. Например, в некоторых системах память от F000 до F800 используется программой установки и диагностики, которая может быть вызвана во время загрузки. Поскольку этот участок не используется после загрузки, можно позволить программе управления памятью разместить там что-нибудь другое.

Области C и D запутаны больше всего. В системах, имеющих EGA- и VGA-адаптеры, видео-ПЗУ обычно находится на дне области C. Остаток региона С, не используемый для размещения видеоПЗУ (адреса выше C800), а также вся область D применяются для размещения драйверов и прочего программного обеспечения, обеспечивающего поддержку всевозможного специфического оборудования – сетевых карт, адаптеров SCSI и т.д.

Наконец, регион E в случае наличия в системе диспетчера дополнительной (EMS) памяти используется как EMS-фрейм.

Подытоживая все эти сведения, можно заметить, что в среднестатистической системе гарантированно занятыми являются только регионы А (видеопамять графического режима для адаптеров EGA, VGA и выше) и F (системная BIOS), кроме того, почти всегда (при наличии цветного адаптера) занята область размером 16 Кб, лежащая в адресах B800 – BC00 (видеопамять текстового режима), и область размером в 32 Кб в начале региона С в адресах C000 – C800 (видеоПЗУ). Занятость же прочих регионов верхней памяти в общем случае не определена. Таким образом, стандартно занято 64 Кб + 64 Кб + 16 Кб + 32 Кб = 176 Кб верхней памяти. Прочие 208 Кб, вообще говоря, могут быть свободны и использованы для хранения программ, которые обычно располагаются в основной памяти. Реально, во многих случаях занятым оказывается еще и регион E, содержащий EMS-фрейм, а вторая половина региона C и регион D, напротив, чаще всего свободны. В силу данного обстоятельства в верхней памяти обычно остаются неиспользованными как минимум 96 Кб.

Разумеется, хранение в верхней памяти прикладных программ, работающих в адресном пространстве 640 Кб, было бы сопряжено со слишком большими трудностями, однако, если речь идет о драйверах, которые не должны постоянно выгружаться и загружаться в память, а должны находиться в ней резидентно, то использование верхней памяти в данном случае имеет большие преимущества. Поэтому была изобретена технология, позволяющая переносить драйверы, расположенные в обычной памяти, в свободные блоки верхней памяти, освобождая таким образом основное ОЗУ. Блоки верхней памяти, используемые подобным образом, получили название Upper Memory Blocks – UMB. Организацией блоков UMB и переносом в них драйверов из нижней памяти занимаются все те же менеджеры памяти, о которых уже шла речь выше – QEMM, EMM386, 386MAX и т.д.

В качестве примера, иллюстрирующего преимущество правильного использования верхней памяти и знания структуры памяти вообще, можно привести следующий факт. Если после загрузки DOS и необходимых драйверов устройств остаются свободными примерно 550-570 Кб ОЗУ, то при помещении ядра DOS в HMA с помощью драйвера HIMEM.SYS (или DOSHI.SYS), а также драйверов устройств в UMB посредством EMM386 или QEMM доступными для прикладных программ оказываются уже 620-635 Кб (а иногда – и больше). Таким образом, правильное конфигурирование системы и настройка менеджеров памяти позволяет буквально из ничего выжать дополнительные 50-85 Кб (удавалось получать даже 100 Кб)!

Рис 3. Структура блоков верхней памяти (UMB)

Теневая память

Теневая память (Shadow Memory) ускоряет обращение к обычно медленной постоянной памяти, такой как System BIOS или VideoROM BIOS за счет ее подмены быстрой оперативной памятью, имеющей более высокую разрядность. Теневая память подразделяется на теневую RAM (Shadow RAM) и теневую ROM (Shadow ROM). При инициализации Shadow ROM содержимое затеняемой области копируется в область теневой памяти и при дальнейшем обращении к затеняемым участкам памяти вместо реального ROM подставляется участок Shadow RAM, запись же в эту область и вовсе блокируется. Shadow ROM отличается тем, что при записи в ROM запись происходит как собственно в ROM, так и в участок затемняющей его теневой памяти. Области, используемые для затемнения постоянной памяти находятся в верхней памяти. Как правило Shadow Memory располагается в регионах C и D и представляет собой, чаще всего, копию содержимого ПЗУ различных адаптеров для убыстрения доступа к ним. Обычно включение или выключение теневой памяти осуществляется через BIOS Setup компьютера. Эту же функцию имеют и некоторые менеджеры памяти, в частности EMM386.