КОНЬЯКОВ.ру
18 Организация и устройство оперативной памяти в ПК
Оперативная память (ОП) или ОЗУ — спциальная внутренняя память ЭВМ, позволяющая быстро записывать в нее и считывать из нее необходимую информацию. Однако информация в этой памяти хранится лишь до отключения питания компьютера, по этому ее иногда называют энергозависимой, временной памятью, или RAM (Random Access Memory — память произвольного доступа).
Обычно в ПК используется DRAM — динамическая память. При этом во время работы компьютера информация может постоянно обновляться. В ОЗУ находятся элементы текстов, числовые данные, программные коды и другая информация, необходимая для выполняющихся в данный моммент программ.
В настоящее время достаточно широко используется кеш-память. Она бывает внутренняя (встроенная в процессор) или внешняя. Внешняя — это сверхоперативная память, расположенная как будфер между процессором и ОЗУ и повышающая производительность ОП. Она служит для уменьшения количества тактов ожидания процессора при обращении к более медленной RAM.
Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации, будь то слова или байты, необходимы имена или адреса, определяющие их расположение в памяти. В качестве адресов традиционно используются числа из диапазона от 0 до 2(в степ. k)-1 со значением k, достаточным для адрессации всей памяти компьютера. Все 2(в степ. k) адресов составляют адресное пространство компьютера. Следовательно, память состоит из 2(в степ. k) адресуемых элементов.
Например 32-разрядным адресам соответствует адресное пространство из 2(в степ. 32) или 4 Гб элементов.
Существует 2 способа адрессации байтов в словах:
а) в прямом порядке (little-endian) — байты адресуются справа налево, так что наименьший адрес имеет самый младший байт слова (расположеный с правого ряда)
б) в обратном порядке (big-endian) — байты адресуются слева направо, так что самый старший байт слова (расположенный с левого края) имеет наименьший адрес.
Доступ к числам, символам и символьным строкам
Обычно число занимает целое слово. Поэтому для того чтобы ообратиться к нему в памяти, нужно указать адрес слова, по которому это число хранится. Точно так-же доступ к отдельно хранящемуся в памяти символу существляется по адресу его байта.
Во многих приложениях необхгодимо обрабатывать строки символов переменной длины. Для доступа к такой строке нужно указать адрес байта, в котором хранится ее первый символ.
Существует два способа определения длины строки. Первый из них заключается в использовании специального управляющего симовла, обозначающего конец строки и являющегося пе последним символом. Второй способ состоит в использовании отдельного слова памяти или регистра процессора, содержащего число, которое определяет длину строки в байтах.
Операции с памятью
И команды программ, и данные, являющиеся операндами этих команд, хранятся в памяти. Для выполнения команды управляющие схемы процессора должны инициировать пересылку содержащего ее слова или слов из памяти в процессор.
Операнды и результаты также должны пересылаться между памятью и процессором. Таким образом, для выполнения команды программы необходимо произвести 2 операции с памятью:
— Load (или Read или Fetch) — т.е. загрузка (или чтение, или выборка соответственнор)
— Store (или Write), т.е. сохранение (или запись)
Операция загрузки, пересылает в процессор копию содержимого памяти по заданному адресу. При этом содержимое памяти остается неизменным. Для того чтобы начать операцию загрузки, процессор отсылает в память адрес и запрашивает содержимое памяти по этому адресу. Из памяти считываются соответствующие данные и пересылаются в процессор.
Операция сохранения пересылает элемент информации из процессора в память по заданному адресу, уничтожая предыдущие данные, хранившиеся по этому адресу. Для выполнения такой операции процессор отсылает в память данные и адрес, по которому они должны быть записаны.
Информацию из одного слова или одного байта можно пересылать между процессором и памятью за одну операцию. Процессор содержит небольшое количество регистров, вмещающих по одному слову. Эти регистры служат либо источниками, либо приемниками данных, пересылаемых в память и из памяти. Пересылаемый байт обычно располагается в младшей (крайний справа) позиции в регистре.
Взаимодействие с памятью происходит через:
— шину чтения-записи;
— адресную шину;
— информационную шину;
По шине чтения-записи сообщается тип производимой операции (считывание из памяти или запись в нее). Сигналы подаваемые на адресную шину определяют область памяти из которой (в которую) ведется считываение (запись) а по информационной шине передается считаннаая (записанная) информация.
Система прямого доступа к памяти
Процессор способен считывать данные из негокоторого устройства и записывать их в память. Подобные действия может выполнять и система прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access) и таким образом освобождать процессор от этой работы.
Запоминающее устрйоство в каждый момент времени обрабатывает только один запрос. Однако система прямого доступа к памяти достаточно «интеллектуальна» и в состоянии задержать запрос процессора, пока сама реализует обращение. Таким образом, процессор и система прямого доступа к памяти поочередно работаютс запоминающим устройством, причем процессор время от времени находится в состоянии ожидания, пока освободиться память.
Режимы процессора
В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и задачами
Процессоры могут работать в 3х режимах:
— реальном
— защищенном
— виртуальном реальном режиме (реальном внутри защищенного)
Реальный режим
16ти-разрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров i8086 и i80286 был назван реальным режимом. Все программы выполняющиеся в реальном режиме должны использовать только 16-ти-разрядные команды, 20-разрядные адреса и поддерижваться архитектурой памяти, расчитанной на емкость до 1 Мбайт.
(. )
Для программного обеспечения этого типа обычсно используется однозадачный режим, т.е. одновременно может выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти одной программы или даже операционной системы другой программой. Это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной из них, а это может привести всю систему к краху (или останову);
Защищенный режим
Новый метод адрессации памяти позволяет изолировать адресные пространства отдельных задач друг от друга. При этом прикладная программа работающая в среде ОС, использующей защищенный режим, не может случайно или намеренно разрушить целостность самйо ОС, она может записывать данные только в те области памяти, которые выделены ей ОС.
Размер ОП предоставляемой программам, ограничен размером свободного дискового пространства.
Виртуальный реальный режим
Этот режим реализуется в рамках защищенного режима (процессор может переключиться в виртуальный режим, только из защищенного режима). В виртуальном режиме процессор способен выполнять программы, находять с защищенном режиме и используя аппаратные средства защищенного режима: мультизадачность, изолирование адресных пространств отдельных задач друг от друга, страничная виртуальная память.
Устройство и принципы фукнционирования ОП
Память состоит из множества ячеек каждая из которых хранит всего один бит информации. на физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которй называются строками, а вертикальные — столбцами или страницами.
Динамическая память представляет собой памяить разового действия — т.к. чтение ячейки разряжает конденсатор. По этому во избежание потери информации считанную строку приходится тут-же перезаписывать вновь.
Саморазряд конденсатора вызывает малое время хранения информации.
Для борьбы с забывчивостью памяти прибегают к ее регенерации — периодическому считыванию ячеек с последющей перезаписью.
Модули ОП
ОП стрится на базе относительно недорогой динамической памяти. В то же время на мощных компьютерах или серверах устанавливается более дорогая статическая память SRAM. Её основное отличие состоит в том, что в качестве ячейки здесь выступает статический триггер, что исключает стекание заряда, и соответственно необходимость в регенерации такой памяти отпадает.
DIMM — модуль памяти с двойным располозением выводов.
SDRAM — динамическое озу с синхронным интерфейсовм, — микросхемы памяти работают синхронно с контроллером, что гарантирует завершение цикла в строго заданный срок. номера строк и столбцов подаются одновременно, для того, чтобы к приходу следующего тактового импульса сигналы уже успели стабилизироваться и были готовы к считыванию.
SDRAM II — DDR SDRAM — позволяет увеличить частоту за счет работы на обеих границах тактового сигнала, т.е. на подъеме и спаде.
Источник
Организация памяти
За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.
И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.
Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.
Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.
Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск
Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.
Архитектура х86 поддерживает стек. 
Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:
push operand
помещает операнд в стек
pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд
Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.
Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.
Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:
mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.
mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.
Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.
Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:
Логический адрес —> Линейный (виртуальный)—> Физический
линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение
Сегмент кода
Сегмент данных
Сегмент стека
Используемый сегмент стека задается значением регистра SS.
Смещение внутри этого сегмента представлено регистром ESP, который указывает на вершину стека, как вы помните.
Сегменты в памяти могут друг друга перекрывать, мало того базовый адрес всех сегментов может совпадать например в нуле. Такой вырожденный случай называется линейным представлением памяти. В современных системах, память как правило так организована.
Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес. 
Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке: 
Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:
линейный адрес = базовый адрес + смещение
[база; база+предел)
(база+предел; вершина]
Кстати интересно почему база и предел так рвано располагаются в дескрипторе. Дело в том что процессоры х86 развивались эволюционно и во времена 286х дескрипторы были по 8 бит всего, при этом старшие 2 байта были зарезервированы, ну а в последующих моделях процессоров с увеличением разрядности дескрипторы тоже выросли, но для сохранения обратной совместимости пришлось оставить структуру как есть.
Значение адреса «вершина» зависит от 54го D бита, если он равен 0, тогда вершина равна 0xFFF(64кб-1), если D бит равен 1, тогда вершина равна 0xFFFFFFFF (4Гб-1)
С 41-43 бит кодируется тип сегмента.
000 — сегмент данных, только считывание
001 — сегмент данных, считывание и запись
010 — сегмент стека, только считывание
011 — сегмент стека, считывание и запись
100 — сегмент кода, только выполнение
101- сегмент кода, считывание и выполнение
110 — подчиненный сегмент кода, только выполнение
111 — подчиненный сегмент кода, только выполнение и считывание
44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.
Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.
На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.
Источник
