Организация и модели памяти, адресация
Память – способность объекта обеспечивать хранение данных.
Все объекты, над которыми выполняются команды, как и сами команды, хранятся в памяти компьютера.
Память состоит из ячеек, в каждой из которых содержится 1 бит информации, принимающий одно из двух значений: 0 или 1. Биты обрабатывают группами фиксированного размера. Для этого группы бит могут записываться и считываться за одну базовую операцию. Группа из 8 бит называется . 
Байты последовательно располагаются в памяти компьютера.
- 1 килобайт (Кбайт) = 2 10 = 1 024 байт
- 1 мегабайт (Мбайт) = 2 10 Кбайт = 2 20 байт = 1 048 576 байт
- 1 гигабайт (Гбайт) = 2 10 Мбайт = 2 30 байт = 1 073 741 824 байт
Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации используются идентификаторы , определяющие их расположение в памяти. Каждому идентификатору в соответствие ставится адрес . В качестве адресов используются числа из диапазона от 0 до 2 k -1 со значением k, достаточным для адресации всей памяти компьютера.Все 2 k адресов составляют адресное пространство компьютера .
Способы адресации байтов
Существует прямой и обратный способы адресации байтов.
При обратном способе адресации байты адресуются слева направо, так что самый старший (левый) байт слова имеет наименьший адрес. 
Прямым способом называется противоположная система адресации. Компиляторы высокоуровневых языков поддерживают прямой способ адресации. 
Объект занимает целое слово. Поэтому для того, чтобы обратиться к нему в памяти, нужно указать адрес, по которому этот объект хранится.
Организация памяти
Физическая память, к которой микропроцессор имеет доступ по шине адреса, называется оперативной памятью ОП (или оперативным запоминающим устройством — ОЗУ).
Механизм управления памятью полностью аппаратный, т.е. программа сама не может сформировать физический адрес памяти на адресной шине.
Микропроцессор аппаратно поддерживает несколько моделей использования оперативной памяти:
- сегментированную модель
- страничную модель
- плоскую модель
В сегментированной модели память для программы делится на непрерывные области памяти, называемые сегментами . Программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах.
Сегмент представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.
Сегментация — механизм адресации, обеспечивающий существование нескольких независимых адресных пространств как в пределах одной задачи, так и в системе в целом для защиты задач от взаимного влияния.
Каждая программа в общем случае может состоять из любого количества сегментов, но непосредственный доступ она имеет только к 3 основным сегментам и к 3 дополнительным сегментам, обслуживаемых 6 сегментными регистрами. К основным сегментам относятся:
- Сегмент кодов ( .CODE ) – содержит машинные команды для выполнения. Обычно первая выполняемая команда находится в начале этого сегмента, и операционная система передает управление по адресу данного сегмента для выполнения программы. Регистр сегмента кодов ( CS ) адресует данный сегмент.
- Сегмент данных ( .DATA ) – содержит определенные данные, константы и рабочие области, необходимые программе. Регистр сегмента данных ( DS ) адресует данный сегмент.
- Сегмент стека ( .STACK ). Стек содержит адреса возврата как для программы (для возврата в операционную систему), так и для вызовов подпрограмм (для возврата в главную программу). Регистр сегмента стека ( SS ) адресует данный сегмент. Адрес текущей вершины стека задается регистрами SS:ESP .
Регистры дополнительных сегментов ( ES, FS, GS ), предназначены для специального использования.
Для доступа к данным внутри сегмента обращение производится относительно начала сегмента линейно, т.е. начиная с 0 и заканчивая адресом, равным размеру сегмента. Для обращения к любому адресу в программе, компьютер складывает адрес в регистре сегмента и смещение — расположение требуемого адреса относительно начала сегмента. Например, первый байт в сегменте кодов имеет смещение 0, второй байт – 1 и так далее.
Таким образом, для обращения к конкретному физическому адресу ОЗУ необходимо определить адрес начала сегмента и смещение внутри сегмента.
Физический адрес принято записывать парой этих значений, разделенных двоеточием
сегмент : смещение
Страничная модель памяти – это надстройка над сегментной моделью. ОЗУ делится на блоки фиксированного размера, кратные степени 2, например 4 Кб. Каждый такой блок называется страницей . Основное достоинство страничного способа распределения памяти — минимально возможная фрагментация. Однако такая организация памяти не использует память достаточно эффективно за счет фиксированного размера страниц.
Плоская модель памяти предполагает, что задача состоит из одного сегмента, который, в свою очередь, разбит на страницы.
Достоинства:
- при использовании плоской модели памяти упрощается создание и операционной системы, и систем программирования;
- уменьшаются расходы памяти на поддержку системных информационных структур.
В абсолютном большинстве современных 32(64)-разрядных операционных систем (для микропроцессоров Intel) используется плоская модель памяти.
Модели памяти
Директива .MODEL определяет модель памяти, используемую программой. После этой директивы в программе находятся директивы объявления сегментов ( .DATA, .STACK, .CODE, SEGMENT ). Синтаксис задания модели памяти
.MODEL модификатор МодельПамяти СоглашениеОВызовах
Параметр МодельПамяти является обязательным.
Основные модели памяти:
| Модель памяти | Адресация кода | Адресация данных | Операци- онная система | Чередование кода и данных |
| TINY | NEAR | NEAR | MS-DOS | Допустимо |
| SMALL | NEAR | NEAR | MS-DOS, Windows | Нет |
| MEDIUM | FAR | NEAR | MS-DOS, Windows | Нет |
| COMPACT | NEAR | FAR | MS-DOS, Windows | Нет |
| LARGE | FAR | FAR | MS-DOS, Windows | Нет |
| HUGE | FAR | FAR | MS-DOS, Windows | Нет |
| FLAT | NEAR | NEAR | Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista | Допустимо |
Модель tiny работает только в 16-разрядных приложениях MS-DOS. В этой модели все данные и код располагаются в одном физическом сегменте. Размер программного файла в этом случае не превышает 64 Кбайт.
Модель small поддерживает один сегмент кода и один сегмент данных. Данные и код при использовании этой модели адресуются как near (ближние).
Модель medium поддерживает несколько сегментов программного кода и один сегмент данных, при этом все ссылки в сегментах программного кода по умолчанию считаются дальними (far), а ссылки в сегменте данных — ближними (near).
Модель compact поддерживает несколько сегментов данных, в которых используется дальняя адресация данных (far), и один сегмент кода с ближней адресацией (near).
Модель large поддерживает несколько сегментов кода и несколько сегментов данных. По умолчанию все ссылки на код и данные считаются дальними (far).
Модель huge практически эквивалентна модели памяти large.
Особого внимания заслуживает модель памяти flat , которая используется только в 32-разрядных операционных системах. В ней данные и код размещены в одном 32-разрядном сегменте. Для использования в программе модели flat перед директивой .model flat следует разместить одну из директив:
Желательно указывать тот тип процессора, который используется в машине, хотя это не является обязательным требованием. Операционная система автоматически инициализирует сегментные регистры при загрузке программы, поэтому модифицировать их нужно только в случае если требуется смешивать в одной программе 16-разрядный и 32-разрядный код. Адресация данных и кода является ближней ( near ), при этом все адреса и указатели являются 32-разрядными.
Параметр модификатор используется для определения типов сегментов и может принимать значения use16 (сегменты выбранной модели используются как 16-битные) или use32 (сегменты выбранной модели используются как 32-битные).
Параметр СоглашениеОВызовах используется для определения способа передачи параметров при вызове процедуры из других языков, в том числе и языков высокого уровня (C++, Pascal). Параметр может принимать следующие значения:
При разработке модулей на ассемблере, которые будут применяться в программах, написанных на языках высокого уровня, обращайте внимание на то, какие соглашения о вызовах поддерживает тот или иной язык. Используются при анализе интерфейса программ на ассемблере с программами на языках высокого уровня.
Источник
Иллюстрированный самоучитель по теории операционных систем
Адресация оперативной памяти
С точки зрения процессора, оперативная память представляет собой массив пронумерованных ячеек. Номер каждой ячейки памяти называется ее адресом. Разрядность адреса является одной из важнейших характеристик процессора и реализуемой им системы команд. Разрядность важна не как самоцель, а потому, что ею обусловлен объем адресуемой памяти – адресного пространства. Системы с 16-разрядным адресом способны адресовать 64 Кбайт (65 536) ячеек памяти, а с 32-разрядным – 4 Гбайт (4 294 967 296) ячеек. В наше время адресуемая память в 4 Гбайт для многих приложений считается неприемлемо маленькой и требуется 64-разрядная адресация.
Процессору обычно приходится совершать арифметические операции над адресами, поэтому разрядность адреса у современных процессоров обычно совпадает с разрядностью основного АЛУ.
У некоторых компьютеров адресация (нумерация) ячеек памяти фиксированная: одна и та же ячейка памяти всегда имеет один и тот же номер. Такая адресация называется физической. Адрес при этом разбит на битовые поля, которые непосредственно используются в качестве номера физической микросхемы памяти, и номеров строки и столбца в этой микросхеме. Напротив, большинство современных процессоров общего назначения используют виртуальную адресацию, когда номер конкретной ячейки памяти определяется не физическим размещением этой ячейки, а контекстом, в котором происходит адресация. Способы реализации виртуальной памяти и необходимость ее применения обсуждаются в Главе 5.
В старых компьютерах размер адресуемой ячейки памяти данных совпадал с разрядностью АЛУ центрального процессора и разрядностью шины данных. Адресуемая ячейка называлась словом. В процессорах манчестерской архитектуры, которые могут использовать одну и ту же память как для команд, так и для данных, оба размера определялись длиной команды. Из-за этого многие процессоры такого типа имели странные по современным представлениям разрядности – 48, 36, иногда даже 25 бит.
БЭСМ-6
Так, БЭСМ-6 имела слово разрядностью 48 бит и команды длиной 24 бита, состоявшие из 15-разрядного адресного поля и 9-разрядного кода операции. Адресное поле позволяло адресовать 32К слов. В одном слове размещалось две команды, при этом команды перехода могли указывать только на первую из упакованных в одно слово команд.
У процессоров гарвардской архитектуры (имеющих раздельные памяти для команд и данных) разрядность АЛУ и размер команды не связаны.
Microchip PIC
Микроконтроллеры семейства PIC фирмы Microchip имеют 8-разрядное АЛУ и накристалльное ОЗУ той же разрядности [www.microchip.com PICMicro]. Команды этих микроконтроллеров размещаются в ПЗУ (также накристалльном), в котором каждое слово имеет 12 бит и содержит одну команду. Аналогично БЭСМ-6, команда микроконтроллера состоит из адресного поля (которое может содержать как адрес, так и константное значение длиной 1 байт) и кода операции. Под код операции остается всего четыре бита, поэтому команд, имеющих полное адресное поле, может быть не более 16. Адресное пространство микроконтроллера составляет 8 бит, т. е. всего 256 слов кода и 256 байт данных. Однако при помощи ухищрения, называемого банковой адресацией (подробнее об этом см. в разд. «Банки памяти»), старшие модели семейства PIC адресуют и по несколько килобайтов как кода, так и данных.
Впрочем, для многих целей и 256 команд вполне достаточно. Самый маленький в мире Web-сервер [www.ccs.cs.umass.edu] реализован именно на основе PIC. В 512 слов кода удалось упаковать реализацию полноценных подмножеств протоколов RS232 (использованная модель микроконтроллера не имеет аппаратно реализованного последовательного порта), РРР, TCP/IP и HTTP. Web-сервер состоит из двух микросхем – собственно сервера и кристалла флэш-памяти, в котором хранятся экспортируемые сервером HTML-документы и изображения. Сервер включается в последовательный порт компьютера и получает питание от этого порта.
Разработчик сервера рекламирует его как основу (или, во всяком случае, как демонстрацию технической возможности) создания Web-интерфейсов для разнообразного бытового оборудования.
Источник
Способы адресации оперативной памяти
Система адресации (Лекция)
1. Режимы адресации
2. Способы адресации
3. Режимы адресации операндов
4. Возможности микропроцессоров по адресации
1. Режимы адресации
Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда — отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.
Режим адресации памяти — это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.
2. Способы адресации
Все способы адресации памяти можно разделить на:
1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);
2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).
В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП .
Инструкция микропроцессора может содержать следующие поля:
Префикс — необязательная часть инструкции, позволяет изменить некоторые особенности ее выполнения. В команде может быть использовано сразу несколько префиксов разного типа. Типы префиксов:
1) командные префиксы (префиксы повторения)
2) префикс блокировки шины LOCK;
3) префиксы размера (см. далее);
4) префиксы замены сегмента.
Байт «Mod R/M» определяет режим адресации, а также иногда дополнительный код операции. Необходимость байта «Mod R/M» зависит от типа инструкции.
Байт SIB (Scale-Index-Base) определяет способ адресации при обращении к памяти в 32-битном режиме. Необходимость байта SIB зависит от режима адресации, задаваемого полем «Mod R/M».
Кроме того, инструкция может содержать непосредственный операнд и/или смещение операнда в сегменте данных.
На размер инструкции накладывается ограничение в 15 байт. Инструкция большего размера может получиться при некорректном использовании большого количества префиксов.
3. Режимы адресации операндов
Если инструкция микропроцессора требует операнды, то они могут задаваться следующими способами:
1) непосредственно в коде инструкции (только операнд-источник);
2) в одном из регистров;
3) через порт ввода-вывода;
Для совместимости с 16-битными процессорами архитектура IA-32 использует одинаковые коды для инструкций, оперирующих как с 16-битными, так и 32-битными операндами. Новая архитектура предусматривает также новые возможности при указании адреса для операнда в памяти. Как процессор будет считать операнд или его адрес, зависит от эффективного размера операнда и эффективного размера адреса для данной команды. Эти значения определяются на основе режима работы, бита D дескриптора используемого сегмента и наличия в инструкции определенных префиксов.
Непосредственный режим адресации подразумевает включение операнда-источника в код инструкции. Операнд может быть 8-битным или 16-битным, если значение эффективного размера операнда — 16. Операнд может быть 8-битным или 32-битным, если значение эффективного размера операнда — 32. Обычно непосредственные операнды используются в арифметических инструкциях.
Регистровый режим адресации определят операнд-источник или операнд-приемник в одном из следующих регистров:
1) регистры общего назначения (EAX/AX, EBX/BX, ECX/CX, EDX/DX, ESI/SI, ESP/SP, EBP/BP — 16-битный регистр, если эффективный размер операнда — 16, или 32-битный регистр в противном случае) или их младшие байты (AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL);
2) сегментные регистры (CS, DS, SS, ES, FS, GS);
3) регистр флагов (EFLAGS для 32-битных операндов или FLAGS для 16-битных);
4) управляющие регистры (CR0/MSW, CR2, CR3, CR4) и регистры системных таблиц (GDTR, LDTR, IDTR, TR);
5) регистры отладки (DR0-DR7);
6) машинно-зависимые регистры (MSRs);
7) регистры сопроцессора, MMX и XMM.
В некоторых случаях (например, в инструкциях DIV и MUL) могут использоваться пары 32-битных (или 16-битных) регистров (например, EDX:EAX), образуя 64-битный (32-битный) операнд.
Адресация через порт ввода-вывода подразумевает получение операнда или сохранение операнда через пространство портов ввода-вывода. Адрес порта ввода-вывода либо непосредственно включается в код инструкции, либо берется из регистра DX.
Очень распространенный способ адресации операнда — адресация через память . Таким образом может быть указан операнд-источник или операнд-приемник. Следует отметить, что процессор не позволяет одновременно задавать оба операнда через память (за исключением некоторых цепочечных команд).
Для получения операнда из памяти процессору необходимо знать селектор сегмента и смещение в сегменте. В некоторых командах селектор может быть указан непосредственно в коде инструкции. В других случаях процессор может явно или неявно использовать значение одного из сегментных регистров. Под неявным использованием сегментных регистров подразумевается то, что в зависимости от предназначения операнда процессор использует определенный сегментный регистр для обращения к памяти: CS — для выборки инструкций; SS — для работы со стеком или обращения к памяти через регистры ESP или EBP; ES — для получения адреса операнда-приемника в цепочечных командах; DS — при всех остальных обращениях к памяти. Явное использование сегментных регистров возможно, если в код инструкции включается префикс смены сегмента. Указание префикса смены сегмента допустимо не для всех команд: нельзя менять сегмент для команд работы со стеком (всегда используется SS), для цепочечных команд можно менять сегмент только операнда-источника (операнд-приемник всегда адресуется через ES).
4. Возможности микропроцессоров по адресации
Одной из важнейших архитектурных характеристик МП является перечень возможных способов обращения к памяти или видов адресации. Возможности МП по адресации существенны с двух точек зрения.
Во-первых, большой объем памяти требует большой длины адреса, так как n-разрядный адрес позволяет обращаться к памяти емкостью 2n слов. Типовые 8-разрядные слова МП дают возможность непосредственно обращаться только к 256 ячейкам памяти, что явно недостаточно. Если учесть, что обращение к памяти является наиболее часто встречающейся операцией, то очевидно, что эффективность использования МП во многом определяется способами адресации к памяти большого объема при малой разрядности МП.
Во-вторых, для удобства программирования желательно иметь простую систему формирования адресов данных при работе с массивами, таблицами и указателями. Рассмотрим способы решения этих проблем.
Если адресное поле в команде является ограниченным и недостаточным для непосредственного обращения к любой ячейке памяти, то память в таких случаях разбивают на страницы, где страницей считается 2n ячеек памяти.
Для согласования адресного поля команды малой разрядности с памятью большого объема (для решения “страничной” проблемы) в МП применяются различные виды адресации:
Прямая адресация к текущей странице. При такой адресации программный счетчик разбивается на два поля; старшие разряды указывают номер страницы, а младшие — адрес ячейки на странице. В адресном поле команды размещается адрес ячейки на странице, а адрес страницы должен быть установлен каким-то другим способом, например с помощью специальной команды.
Прямая адресация с использованием страничного регистра. В МП должен быть предусмотрен программно доступный страничный регистр, загружаемый специальной командой. Этот регистр добавляет к адресному полю команды несколько разрядов, необходимых для адресации ко всей памяти.
Прямая адресация с использованием двойных слов. Для увеличения длины адресного поля команды под адрес отводится дополнительное слово (а если нужно, то и два).
Адресация относительно программного счетчика. Адресное поле команды рассматривается как целое со знаком, которое складывается с содержимым программного счетчика для формирования исполнительного адреса. Такой способ относительной адресации создает плавающую страницу и упрощает перемещение программ в памяти.
Адресация относительно индексного регистра. Исполнительный адрес образуется суммированием содержимого индексного регистра и адресного поля команды, рассматриваемого как целое со знаком. Индексный регистр загружается специальными командами.
Косвенная адресация. При косвенной адресации в адресном поле команды указывается адрес на текущей странице, по которому хранится исполнительный адрес. В поле команды при этом требуется дополнительный разряд — признак косвенной адресации. Исполнительный адрес может храниться не в ячейке памяти, а в регистре общего назначения. В этом случае косвенная адресация называется регистровой.
Источник
