Адресация памяти в реальном режиме

Плоская модель памяти

Плоская модель памяти — метод организации адресного пространства оперативной памяти вычислительных устройств. В плоской модели код и данные используют одно и то же адресное пространство. Для 16-битных процессоров плоская модель памяти позволяет адресовать 64 кБ оперативной памяти; для 32-битных процессоров 4 ГБ, для 64-битных — 16 эксабайт. Другими словами, если считать, что задача состоит из одного единственного сегмента кода и одного сегмента данных, которые, в свою очередь, разбиты на страницы, то фактически мы получаем только один страничный механизм работы с виртуальной памятью. Этот подход получил название плоской модели памяти.

Преимущества управления памятью с плоской моделью:

В одном из многозадачных встроенных приложений, где управление памятью не нужно и не желательно, модель обеспечивает простейший интерфейс для программирования, с прямым доступом ко всем местам в памяти и минимальной сложностью конструкции программы.
При многозадачности и распределении ресурсов плоская модель по-прежнему обеспечивает максимальную гибкость для реализации этого типа управления памятью.

Управление памятью все ещё реализуется на основе плоской модели, в целях содействия функциональности операционной системы, защиты ресурсов, многозадачности или увеличения объёма памяти за пределы ограничений, налагаемых физическим адресным пространством процессора.

СЕГМЕНТНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ

· Часть 1

При сегментной организации вся виртуальная память, используемая программой, разбивается на части, называемые сегментами.

Таким образом, при сегментной организации у программы нет единого линейного адресного пространства. Виртуальный адрес состоит из двух частей:селектора сегмента и смещения от начала сегмента.

Селектор сегмента представляет некоторое число, которое обычно является индексом в таблице сегментов данного процесса. Такая таблица содержит для каждого сегмента его размер, режим доступа (только чтение или возможна запись), флаг присутствия сегмента в памяти. Если сегмент находится в памяти, то в таблице хранится его базовый адрес (адрес физической памяти, соответствующий началу сегмента). Отсутствие сегмента означает, что его данные временно вытеснены на диск и хранятся в файле подкачки (swap file).

При каждом обращении к виртуальному адресу аппаратными средствами выполняется преобразование пары «сегмент : смещение» в физический адрес. Упрощенная схема такого преобразования показана на рис. 52.

Рис. 52

Селектор сегмента используется для доступа к соответствующей записи таблицы сегментов. Если данный сегмент присутствует в памяти, то его базовый адрес, прочитанный в таблице, складывается со смещением из виртуального адреса. Результат сложения представляет собой физический адрес, по которому и происходит обращение к памяти.

Но откуда возьмется свободное место в памяти? По всей вероятности, системе придется для этого убрать из памяти какой-то другой сегмент, принадлежащий либо к этому же, либо к иному процессу. Копия вытесняемого сегмента должна остаться в файле подкачки. Чтобы избежать лишней работы, в каждой записи таблицы хранится флаг, отмечающий, является ли сегмент в памяти «чистым» или «грязным», т.е. совпадает ли его содержимое с дисковой копией или же оно было изменено в памяти после последней загрузки с диска. «Грязный» сегмент должен быть сохранен на диске, для «чистого» сохранение не требуется. Если сегмент определен как доступный только для чтения, то он заведомо «чистый».

Поскольку сегменты имеют различные размеры, то в ходе работы системы, сопровождающейся многократной загрузкой и выгрузкой сегментов, возникает эффект фрагментации памяти, описанный выше в п. 3.3 и в п. 5.3.3. Во всех случаях причиной фрагментации является многократное занятие и освобождение областей различного размера.

Для борьбы с фрагментацией можно время от времени производить дефрагментацию, т.е. перемещение всех сегментов, находящихся в памяти, на новые места, без «дырок» в памяти между сегментами. При этом, однако, требуется, чтобы система откорректировала таблицы сегментов всех тех процессов, сегменты которых переместились в физической памяти. Кроме того, перемещение сегментов занимает ощутимое время, поэтому оно недопустимо для сегментов, содержащих, например, обработчики прерываний, которые должны срабатывать очень быстро. Чтобы избежать этих проблем, в некоторых системах сегменты могут находиться в одном из двух состояний:

· фиксированный сегмент не должен перемещаться в памяти;

· перемещаемый сегмент может перемещаться системой, однако программа не может обращаться к адресам в таком сегменте, поскольку его местоположение не определено.

Адресация памяти в реальном режиме

Для адресации байта памяти в реальном режиме работы используются две 16-разрядные компоненты адреса - сегмент и смещение. Физический адрес , который попадает на шину адреса системной платы компьютера, складывается (в буквальном смысле этого слова) из сдвинутой влево на четыре бита и дополненной справа четырьмя нулевыми битами сегментной компоненты и компоненты смещения. Перед сложением компонента смещения расширяется до 20 бит так, что в старшие четыре бита записываются нули (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Получение физического адреса в реальном режиме

Задавая произвольные значения для сегмента и смещения мы можем сконструировать физический адрес для обращения к памяти размером 1 Мбайт плюс 64 Кбайт (и минус 16 байт).

Адрес, состоящий из сегмента и селектора, мы будем называть логическим адресом реального режима . Диапазон логических адресов от 0000h:0000h до FFFFh:000Fh соответствует диапазону физических адресов от 00000h до FFFFFh. Этот диапазон адресов соответствует первому мегабайту оперативной памяти.

Диапазон логических адресов от FFFFh:0010h до FFFFh:FFFFh соответствует так называемой области старшей памяти (High Memory Area). Размер области старшей памяти равен 64 Кбайта без 16 байт, и эта память доступна в реальном режиме для процессора модели 80286 и более старших моделей. Если вы работаете с операционной системой MS-DOS версии 5.0 или 6.2, имеет смысл загрузить ядро MS-DOS в область старших адресов, указав в файле config.sys команду:

DOS=HIGH

Недостатки реального режима работы процессора очевидны. Вы не можете использовать расширенную память, расположенную в адресном пространстве выше области старшей памяти. Если в вашем компьютере установлено 16 Мбайт оперативной памяти, процессор не сможет непосредственно адресовать из них целых 15 Мбайт (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Адресация памяти в MS-DOS

На заре развития персональных компьютеров оперативная память размером в 1 Мбайт считалась достаточно большой для решения любых мыслимых задач. Однако с появлением Windows и внедрением графического пользовательского интерфейса критерии оценки объема памяти резко изменились. Теперь минимальный объем памяти для нормальной работы приложений Windows составляет 4 Мбайта, а для некоторых приложений (например, для системы разработки Borland C++ for Windows версии 4.0 или Microsoft Visual C++) требуется 8 Мбайт или даже 16 Мбайт. Схема адресации реального режима непригодна для работы с такими большими объемами памяти, так как в этой схеме для физического адреса предусмотрено всего 20 разрядов.

Вторым крупным недостатком схемы адресации реального режима является то, что программы, работающие в реальном режиме, имеют полный доступ ко всей адресуемой памяти. Несмотря на то, что в MS-DOS имеются функции управления памятью, с помощью которых программы могут получить в свое распоряжение блоки памяти, ничто не помешает программе выполнить запись за пределами полученного блока или даже в системную область памяти, разрушив MS-DOS.

Если в мультизадачной среде одна задача может писать данные в область памяти, отведенной другой задаче, она может разрушить и эту задачу, и ядро операционной системы. Поэтому в мультизадачных операционных системах, разработанных для процессоров серии Intel 80xxx или Pentium, применяется только защищенный режим работы процессора.

Режим реальной адресации

В режиме реальной адресации физическая память микропроцессора представляет собой непрерывный массив объемом до одного мегабайта. Микропроцессор обращается к памяти, генерируя 20-разрядные физические адреса.

20-разрядный адрес сегмента памяти состоит из двух частей: старшей 16-разрядной переменной части и младшей 4-разрядной части, которая всегда равна нулю. таким образом, адреса сегментов всегда начинаются с числа, кратного 16.

В режиме реальной адресации каждый сегмент памяти имеет размер 64 Кбайта и может быть считан, записан или изменен. Если операнды данных или команд попытаются выполнить циклический возврат к концу сегмента, может произойти прерывание или возникнуть исключительная ситуация ; например, если младший байт слова смещен на FFFF, а старший байт равен 0000. если в режиме реальной адресации информация, содержащаяся в сегменте, не использует все 64 Кбайт, неиспользуемое пространство может быть предоставлено другому сегменту в целях экономии физической памяти.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 80; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!