Логическая структура основной памяти

Структурноосновная память состоит из миллионов отдельных однобайтовых ячеек памяти. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 512 Мбайт до 4096 Мбайт. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Для ОЗУ и ПЗУ отводится единоеадресное пространство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, поскольку максимальное количество адресов определяется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в n разрядах, то есть адресное пространство равно 2ⁿ, где n — разрядность адреса. За основу в ПК взят 16-разрядный адресный код, равный по длине размеру машинного слова. При помощи 16-разрядного представления адреса можно непосредственно адресовать всего 2¹⁶ = 65 536 = 64 Kбайт ячеек памяти. Это 64-килобайтовое поле памяти, так называемый сегмент, также является базовым в логической структуре ОП. Следует заметить, что в защищенном режиме размер сегмента может быть иным и значительно превышать 64 Кбайта.

Современные ПК (кроме простейших бытовых компьютеров) имеют основную память, емкостью существенно больше 1 Мбайт. Но память до 1 Мбайта является еще одним важным структурным компонентом ОП — назовем ее непосредственноадресуемойпамятью (справедливо полностью только для реального режима). Для адресации 1 Мбайт = 2²⁰ = 1 048 576 ячеек непосредственно адресуемой памяти необходим 20-разрядный код, получаемый в ПК при помощи специальной структуризации адресов ячеек ОП.

Абсолютный(полный, физический) адрес (А_абс) формируется в виде суммы нескольких составляющих, чаще всего используемыми из которых являются: адрес сегмента и адрес смещения.

Адрес сегмента (А_сегм) — это начальный адрес 64-килобайтового поля, внутри которого находится адресуемая ячейка.

Адрес смещения (А_см) — это относительный 16-разрядный адрес ячейки внутри сегмента.

А_сегм должен быть 20-разрядным, но, если принять условие, что А_сегм должен быть обязательно кратным параграфу (в последних четырех разрядах должен содержать нули), то однозначно определять этот адрес можно 16-разрядным кодом, «увеличенным» в 16 раз, что равносильно дополнению исходного кода справа 4 нулями и превращению его, таким образом, в 20-разрядный код. То есть условно можно записать:

А_абс = 16×А_сегм+А_см

Для удобства программирования и оптимизации ряда операций микропроцессоры ПК поддерживают еще две составляющие смещения: адрес базы и адрес индекса. Следует отметить, что процессор ПК может обращаться к основной памяти, используя только абсолютный адрес, в то время как программист может использовать все составляющие адреса, рассмотренные выше.

В современных ПК существует режим виртуальной адресации (virtual — мнимый, кажущийся, воображаемый). Виртуальная адресация применяется для увеличения адресного пространства ПК при наличии ОП большой емкости (простая виртуальная адресация) или при организации виртуальной памяти, в которую наряду с ОП включается и часть внешней (обычно дисковой) памяти.

При виртуальной адресации вместо начального адреса сегмента А_сегм в формировании абсолютного адреса А_абс принимает участие многоразрядный адресный код, считываемый из специальных таблиц. Принцип простой виртуальной адресации можно пояснить следующим образом. В регистре сегмента содержится не А_сегм, а некий селектор, имеющий структуру:

где СЛ — вспомогательная служебная информация; F — идентификатор, определяющий тип таблицы дескрипторов для формирования А_сегм (таблицы дескрипторов создаются в ОП при виртуальной адресации автоматически):

l если F = 0, то используется глобальная таблица дескрипторов (GDT), общая для всех задач, решаемых в ПК в многозадачном режиме;

l если F = 1, то используется локальная таблица дескрипторов (LDT), создаваемая для каждой задачи отдельно.

В соответствии с индексом и идентификатором из GLT или LDT извлекается 64-битовая строка, содержащая, в частности, и адрес сегмента. Разрядность этого адреса зависит от размера адресного пространства микропроцессора, точнее равна разрядности его адресной шины. Подобная виртуальная адресация используется в защищенном режиме работы микропроцессора. Для большей плотности размещения информации в оперативной памяти (уменьшения сегментированности, характерной для многозадачного режима) часто практикуется сегментно-страничная адресация, при которой поля памяти выделяются программам внутри сегментов страницами, размером от 2 до 4 Кбайт. Формирование сегментно-страничной структуры адресов выполняется автоматически операционной системой.

Виртуальная память создается при недостаточном объеме оперативной памяти, не позволяющем разместить в ней сразу всю необходимую информацию для выполняемого задания. При загрузке очередной задачи в оперативную память необходимо выполнить распределение машинных ресурсов, в частности, оперативной памяти между компонентами одновременно решаемых задач (в принципе, оперативной памяти может не хватить и для решения одной сложной задачи). При подготовке программ в их код заносятся условные адреса, которые должны быть затем привязаны к конкретному месту в памяти. Распределение памяти может выполняться или в статическомрежиме до загрузки программы в ОП, или в динамическом режиме автоматически в момент загрузки программы или в процессе ее выполнения. Статическое распределение памяти весьма трудоемко, поэтому применяется редко. Если очевидно, что реальная память меньше требуемого программой адресного пространства, программист может вручную разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости — создать оверлейную структуру программы. Режим динамического распределения памяти используется чаще.

При динамическом распределении памяти в случае недостаточной емкости ОП полезно воспользоваться виртуальной памятью. В режиме виртуальной памяти пользователь имеет дело не с физической ОП, действительно имеющейся в ПК, а с виртуальной одноуровневой памятью, емкость которой равна всему адресному пространству микропроцессора. На всех этапах подготовки программы, включая ее загрузку в оперативную память, в программе используются виртуальные адреса, и лишь при непосредственном исполнении машинной команды выполняется преобразование виртуальных адресов в реальные физические адреса ОП. При этом реально программа может размещаться частично в ОП, частично во внешней памяти на жестком диске.

Технология организации виртуальной памяти следующая. Физические оперативная и дисковая (привлеченная к задаче) память и виртуальная память разбиваются на страницы одинакового размера по 4 Кбайт. Страницам виртуальной и физической памяти присваиваются номера, которые сохраняются одними и теми же на весь период решения задачи. Операционная система формирует две таблицы:

l страниц виртуальной памяти;

l физического размещения страниц.

и устанавливает логические связи между ними (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Таблица страниц

На рис. 11.2 видно, что физические страницы могут находиться в текущий момент времени как в оперативной, так и во внешней памяти. Из внешней памяти виртуальные страницы автоматически перемещаются в оперативную только тогда, когда к ним происходит обращение. При этом они замещают уже отработавшие страницы. Страничные таблицы для каждой программы формируются операционной системой в процессе распределения памяти и изменяются каждый раз, когда физические страницы перемещаются из ВЗУ в ОП. Виртуальная память может иметь и сегментно-страничную организацию. В этом случае виртуальная память делится сначала на сегменты, а внутри них на страницы. Принцип организации такой памяти аналогичен рассмотренному выше.

Для ПК характерно стандартноераспределениенепосредственно адресуемой памяти между ОЗУ и ПЗУ (см. рис. 11.3).

Рис. 11.3. Непосредственно адресуемая память

Основная память в соответствии с методами обращения и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия. В частности, обобщенно логическая структура основной памяти ПК общей емкостью 64Мбайт представлена на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Логическая структура основной памяти

Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 К ячеек с адресами от 0 до 1024 К – 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов или в защищенном режиме работы микропроцессора. Драйвер — специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами компьютера и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами компьютера. Стандартной памятью (CMA — Conventional Memory Area) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт. Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 К до 1024 К называется верхней памятью (UMA — Upper Memory Area или UMB — Upper Memory Blocks). Верхняя память зарезервирована для служебной памяти (ранее называлась видеопамятью дисплея) и постоянного запоминающего устройства. В служебной памяти формируются участки-«окна», используемые при помощи драйверов в качестве оперативной памяти общего назначения. Расширенная память — память с адресами 1024 К и выше. В реальном режиме имеются два основных способа доступа к этой памяти:

l по спецификации XMS (память XMA — eXtended Memory Area);

l по спецификации EMS (память EMA — Expanded Memory Area).

Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS (eXtended Memory Specification) организуется при помощи специального драйвера (например, XMM —eXtended Memory Manager) путем пересылки по мере необходимости отдельных полей XMA в свободные области верхней памяти (UMA). Эту память иногда называют дополнительной.

Спецификация EMS (Expanded Memory Specification) является более ранней. Согласно этой спецификации доступ реализуется не путем пересылки, а лишь путем отображения по мере необходимости адресов отдельных полей Expanded Memory в свободные области верхней памяти. Отображение организуется путем динамического замещения адресов полей EMA в «окнах» UMA размером 64 Кбайт, разбитых на 16-килобайтовые страницы. В окне UMA хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой. Поэтому сочетание слов Expanded Memory (EM) иногда переводят как отображаемая память (хотя термин Expanded почти идентичен термину Extended и более точно переводится как расширенный, увеличенный). Для организации отображаемой памяти при работе в реальном режиме процессора необходим драйвер EMM.EXE (Expanded Memory Manager). Отображаемая память медленная и поэтому она уступает место Extended Memory.

В реальном режиме расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ OC. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков. Исключение составляет HMA, которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager). Область HMA может использоваться для хранения любой информации, в том числе и программ пользователя. Возможность непосредственной адресации высокой памяти обусловлена особенностью сегментной адресации ячеек ОП, поскольку в этой концепции максимально возможный адрес ячейки памяти с непосредственной адресацией формируется из максимально возможного адреса сегмента FFFFF, то есть 1024²–1— верхняя граница непосредственно адресуемой верхней памяти, плюс максимально возможный адрес смещения в этом сегменте FFFF — получаем верхнюю границу непосредственно адресуемой высокой памяти.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите классификацию запоминающих устройств ПК и дайте краткую характеристику отдельных классов.

2. Что представляет собой и где используется статическая оперативная память? Динамическая оперативная память?

3. Поясните назначение и классификацию кэш-памяти компьютера.

4. Поясните физическую структуру основной памяти.

5. Почему иногда при решении сложных задач увеличение объема оперативной памяти в компьютере приводит и к увеличению его производительности?

6. Назовите и поясните основные типы модулей ОЗУ.

7. Назовите основные типы оперативной памяти, поясните и сравните их.

8. Какой тип ОП является наиболее эффективным и почему?

9. Что такое ПЗУ, каково его назначение и в чем особенности ПЗУ типа флэш?

10. Поясните логическую структуру ОП.

11. Рассмотрите и поясните разницу в организации Extended и Expanded видов памяти.

12. Почему Expanded-память не используется для хранения программ?

13. Как адресуются ячейки ОП в реальном режиме работы микропроцессора?

14. Что такое виртуальная адресация и виртуальная память?