Распределение адресного пространства

В зависимости от модификации персонального компьютера и состава его периферийного оборудования распре­деление адресно­го пространства может несколько различаться. Тем не менее, размещение основных компонентов системы довольно строго унифицировано. Типичная схема использования адресного прос­транства компьютера приведена на рис. 1.1. Значения адресов на этом рисунке, как и повсюду далее в книге, даны в 16-ричной системе счисления. Признаком 16-ричного числа служит буква h, стоящая после числа.

1 Кбайт Векторы прерываний 00000h

256 байтов Область данных BIOS 00400h

512 байтов Область данных DOS 00500h

IO.SYS/MSDOS.SYS 00700h Стандартная память

Загружаемые драйверы (640 Кбайт)

COMMAND.COM

Дополнительная память(EMS)

(резидентная часть) Дополнительная

Свободная память память(EMS)

для загружаемых

прикладных и системных

программ А0000h

64 Кбайт Графический буфер EGA B0000h

32 Кбайт UMB B8000h

32 Кбайт Текстовый буфер EGA C0000h Верхняя память(384 Кбайт)

64 Кбайт ПЗУ-расширения BIOS D00000h

64 Кбайт UMB E00000h

128 Кбайт ПЗУ BIOS 1000000h

64 Кбайт HMA 10FFF0h

До 15 Мбайт

(80286) XMS Расширенная память

До 4 Гбайт

(80386/486)

Первые 640 Кбайт, адресного пространства с адресами от OOOOOh до 9FFFFh отводятся под основную оператив­ную па­мять, которую еще называют стандартной (conventional). На­чальный килобайт оперативной памяти занят век­торами преры­ваний (256 векторов по 4 байта). Вслед за векторами прерыва­ний располагается область данных BIOS, которая занимает

адреса от 00400h до 004FFh. В этой области хранятся разноо­бразные данные, используемые программами BIOS в процессе управления периферийным оборудованием. Так, здесь размещаются:

- входной буфер клавиатуры с системой указателей;

- адреса последовательных и параллельных портов;

- данные, характеризующие настройку видеосистемы (форма курсора и его текущее местоположение на экране, текущий ви­деорежим, ширина экрана и прочее);

- ячейки для отсчета текущего времени;

- область межзадачных связей и т.д.

Область данных BIOS заполняется информацией в процессе начальной загрузки компьютера и динамически мо­дифицируется системой по мере необходимости; многие прикладные програм­мы обращаются к этой области с целью чтения или модифика­ции содержащейся в ней информации.

В области памяти, начиная с адреса 500h, содержатся некото­рые системные данные DOS. Вслед за областью дан­ных DOS располагается собственно операционная система, загружаемая из файлов IO.SYS и MSDOS.SYS (1ВМВЮ.СОМ и IBMDOS.COM для системы PC-DOS). Система обычно занимает несколько де­сятков Кбайт.

Если в файл CONFIG.SYS включены директивы DEVICE=... загрузки устанавливаемых драйверов (ADM.SYS, SMARTDRV.SYS, EMM386.EXE, ANSI.SYS и др.), то они загру­жаются вслед за системой. Наконец, ниже драйверов размеща­ется резидентная часть командного процессора COMMAND.COM, занимающая около 3 Кбайт. В функции ре­зидентной части COMMAND.COM входит обработка <Ctrl>/C, <Ctrl>/<Break> и крити­ческих ошибок, вывод сообщений об ошибках, завершение текущей задачи, загрузка транзитной час­ти COMMAND.COM. Транзитная, загружаемая часть COMMAND.COM размещается в самом конце оперативной па­мяти, затирается при загрузке программ и после завершения выполняемой программы должна загружаться с диска заново.

Перечисленные выше компоненты операционной системы за­нимают обычно 60-90 Кбайт. Вся оставшаяся память до грани­цы 640 Кбайт (называемая иногда транзитной областью) сво­бодна для загрузки любых системных или при­кладных про­грамм. Как правило, в начале сеанса в память загружают ре­зидентные программы (русификатор, элек­тронный блокнот, ре­зидентные расширения DOS, программы контроля состояния диска, входящие, например, в со­став Нортоновских утилит и др.). При наличии резидентных программ объем свободной памяти уменьшается. Оставшиеся 384 Кбайт адресного пространства, называемого верхней (upper) памятью, первоначально были предна­значены для размещения постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Практически под ПЗУ занята только часть адресов. В самом конце адресного пространства, в области FOOOOh...FFFFFh (или EOOOOh... FFFFFh) располагается основное постоянное запоми­нающее устройство BIOS, а начиная с адреса COOOOh - так называемое ПЗУ расшире­ний BIOS для обслуживания графических адаптеров и дисков. Часть адресного пространства верхней памяти отводится для адресации к видеобуферам графического адаптера. Приведенное на рисунке расположение видеобуферов характерно для адаптера EGA; для других адаптеров оно может быть иным, например, видеобуфер простейшего монохромного адаптера MDA занимает всего 4 Кбайт и располагается, начиная с адреса ВООООЮ.

В состав компьютеров PC/AT наряду со стандартной памя­тью (640 Кбайт) может входить расширенная (extended) па­мять, максимальный объем которой зависит от ширины адрес­ной шины процессора и при использовании процессора 80286 может достигать 15 Мбайт, а для процессоров 80386/486 - 4 Гбайт. Эта память располагается за пределами первого мегабай­та адресного пространства и начинается с адреса lOOOOOh. Ре­ально на машине может быть установлен не полный объем расширенной памяти, а лишь 2-3 Мбайт или даже меньше, например, всего 384 Кбайт.

Поскольку функционирование расширенной памяти подчиня­ется "спецификации расширенной памяти" (Extended Memory Specification, сокращенно XMS), то и саму память часто назы­вают XMS-памятью. Как уже отмечалось выше, доступ к рас­ширенной памяти осуществляется в защищенном режиме, поэ­тому для MS-DOS, работающей только в реальном режиме, расширенная память недоступна.

Однако в современные версии MS-DOS включается драйвер HIMEM.SYS, поддерживающий расширенную память, т.е. позво­ляющий ее использовать, хотя и ограниченным образом. Кон­кретно в расширенной памяти можно разместить электронные диски (с помощью драйвера RAMDRIVE.SYS) или кош буферы диска (с помощью драйвера SMARTDRV.SYS).

Первые 64 Кбайт расширенной памяти, точнее, 64 Кбайт -16 байт с адресами от lOOOOOh до lOFFEFh, носят специаль­ное название область старшей памяти (High Memory Area, НМА). Эта область замечательна тем, что хотя она находится за пределами первого мегабайта, к ней можно обратиться в реальном режиме работы микропроцессора, если определить сегмент, начинающийся в самом конце мегабайтного адресного пространства. с ялпрся FFFFOh. и разрешить использование адресной линии А20. Первые 16 байтов этого сегмента заняты ПЗУ, область же со смещениями 0010h...FFFFh можно, в прин­ципе, использовать под программы и данные. MS-DOS позволяет загружать в НМА (директивой файла CONFIG.SYS DOS=HIGH) значительную часть самой себя, в результате чего занятая сис­темой, область стандартной памяти существенно уменьшается. Старшую память обслуживает тот же драйвер HIMEM.SYS, поэтому загрузка DOS и НМА возможна, только если установ­лен HIMEM.SYS.

Как видно из приведенного выше рисунка, часть адресного пространства верхней памяти, не занятая расширениями BIOS и видеобуферами, оказывается свободной. На компьютерах с МП 80386 и 80486 эти свободные участки можно использовать для адресации к расширенной памяти (конечно, не ко всей, а лишь к той ее части, объем которой совпадает с общим объемом свободных адресов верхней памяти). Пере отображение расширенной памяти на свободные адреса верхней памяти выполняет драйвер ЕММ386.ЕХЕ, а сами участки верхней памяти, "заполненные" расширенной, называются блоками верхней памяти (Upper Memory Blocks, UMB). MS-DOS позволяет загружать в UMB устанавливаемые драйверы устройств, а также резидентные программы-расширения DOS (APPEND.EXE, DOSKEY.COM, KEYB.COM и др.). Загрузка системных программ в UMB освобождает от них стандартную память, увеличивая ее транзитную область. В UMB можно загрузить также и прикладные резидентные программы. Загрузка в UMB драйверов осуществляется директивой файла CONFIG.SYS DEVICEHIGH (вместо директивы DEVICE), a загрузка резидентных программы - командой DOS LOADHIGH.

По умолчанию драйвер ЕММ386.ЕХЕ преобразует в UMB 128 Кбайт расширенной памяти, располагая ее по адресам СООО... CFFF. При необходимости (если, например, на эти ад­реса настроено какое-то нестандартное внешнее устройство) объем, и расположение UMB в адресном пространстве верхней памяти можно изменить с помощью ключей в строке установки драйвера ЕММ386.ЕХЕ.

Независимо от наличия и объема расширенной (XMS) памя­ти, компьютер может быть укомплектован платой с дополнительной памятью, не отвечающей каким-либо определенным адресам 16-мегабайтного адресного пространства. Эта память функционирует в соответствии со спецификацией Lotus-Intel-Microsoft Expanded Memory Specification (LIM EMS) и может достигать объема (в версии EMS 4/0) 32 Мбайт. Обращение к EMS-памяти осуществляется через относительно узкие окна (физические страницы) размером по 16 Кбайт, в качестве ко­торых используется часть адресного пространства верхней памяти (от границы 640 Кбайт до 1 Мбайт). Любой блок дополнительной памяти, называемый логической страницей, может быть отображен на физическую страницу в верхней памяти, чем и обеспечивается прямая (хотя и не одновременная) адресация всего пространства дополнительной памяти. В дополнительной памяти, как и в расширенной, обычно размещают электронные диски или кеш- буферы, хотя спецификация EMS 4.0 допускает (в отличие, от EMS 3.2) выполнение программ, находящихся в дополнительной памяти.

Компьютеры типа PC/AT или PS/2 обычно оснащаются расширенной памятью того или иного объема, но не всегда до­полнительной. Между тем, некоторые программы в процессе своего выполнения обращаются к дополнительной памяти и при ее отсутствии просто не будут функционировать. Для того, чтобы позволить таким программам выполняться на компьюте­рах без дополнительной памяти, предусмотрена возможность преобразования части расширенной памяти в дополнительную. Это преобразование осуществляет тот же драйвер ЕММ386.ЕХЕ. По умолчанию для отображения дополнительной памяти ис­пользуется диапазон адресов верхней памяти DOOO...DFFF, ко­торый в этом случае, естественно, выпадает из области блоков верхней памяти UMB. При необходимости область отображения дополнительной памяти можно изменить.

1.3. Регистры процессора

Как уже отмечалось выше, внутренняя архитектура микро­процессоров Intel практически совпадает, если не рассматривать имеющихся в старших моделях процессоров (начиная с МП 80286)' схем организации защищенного режима. Поэтому ниже все эти микропроцессоры будут рассматриваться вместе под общим названием "процессор".

Процессор содержит двенадцать 16-разрядных программно - адресуемых регистров, которые принято объединять в три груп­пы: регистры данных, регистры-указатели и сегментные регис­тры. Кроме того, в состав процессора входят счетчик команд и регистр флагов (рис. 1.2).

В группу регистров данных включаются регистры АХ, ВХ, СХ и DX. Программист может использовать их по своему ус­мотрению для временного хранения любых объектов (данных или адресов) и выполнения над ними требуемых операций. При этом регистры допускают независимое обращение к стар­шим (АН, ВН, СН и DH) и младшим (AL, BL, CL и DL) по­ловинам. Так команда mov BL, AH пересылает старший байт регистра АХ в младший байт регистра ВХ, не затрагивая при этом вторых байтов этих регистров.

Заметьте, что сначала указывается операнд-приемник, а после запятой - операнд-источник. Во многих случаях регистры дан­ных вполне эквивалентны, однако предпочтительнее пользовать­ся регистром АХ, поскольку многие команды занимают в памя­ти меньше места и выполняются быстрее, если их операндом является регистр АХ (или его половины AL или АН). С другой стороны, ряд команд использует определенные регистры неяв­ным образом. Так, все команды циклов используют регистр СХ в качестве счетчика числа повторений; в командах умножения и деления регистры АХ и DX выступают в качестве неявных операндов; операции ввода-вывода можно осуществлять только через регистр АХ (или AL) и т.д.

Индексные регистры SI и DI так же, как и регистры дан­ных, могут использоваться произвольным образом. Однако их основное назначение - хранить индексы (смещения) относитель­но некоторой базы (т.е. начала массива) при выборке операн­дов из памяти. Адрес базы при этом может находиться в базо­вых регистрах ВХ или ВР. Специально предусмотренные команды работы со строками используют регистры SI и DI в качестве неявных указателей в обрабатываемых строках.

Регистр ВР служит указателем базы при работе с данными в стековых структурах, но может использоваться и произволь­ным образом в большинстве арифметических и логических опе­раций.

Последний из группы регистров-указателей, указатель стека SP, стоит особняком от других в том отношении, что исполь­зуется исключительно как указатель вершины стека, обес­печивая выполнение стековых команд (PUSH, POP и др). Од­нако это не исключает его использование в качестве операнда в арифметических операциях или операциях пересылки, если требуется изменить положение вершины стека.

Регистры SI, DI, ВР и SP, в отличие от регистров данных, не допускают побайтовую адресацию.

Четыре сегментных регистра CS, DS, ES и SS являются важнейшим элементом архитектуры процессора, обеспечивая адресацию 20-разрядного адресного пространства с помощью 16-разрядных операндов.

АН	AL
ВН	BL
СН	CL
DH	DL

Регистры-указатели SI DI ВР SP Сегментные регистры CS DS ES SS Прочие регистры IP FLAGS

Аккумулятор Базовый регистр Счетчик Регистр данных   Индекс источника Индекс приемника Указатель базы Указатель стека   Регистр программного сегмента Регистр сегмента данных Регистр дополнительного сегмента данных Регистр сегмента стека     Указатель команд     Регистр флагов

Рис.1.2. Регистры процессора.

Обращение к памяти (как к стандартной памяти в пределах 640 Кбайт, так и к буферам или ПЗУ в области 640 Кбайт -1 Мбайт) осуществляется исключительно посредством сегментов - логических образований, накладываемых на любые участки физического адресного пространства. Размер сегмента должен находиться в пределах 0 байт - 64 Кбайт (допустимы и иногда используются сегменты нулевой длины). Начальный адрес сег­мента, деленный на 16, т.е. без младшей 16-ричной цифры, заносится в один из сегментных регистров. Как правило, это действие выполняет программист с помощью соответствующих программных строк. При обращении к памяти процессор извле­кает из сегментного регистра сегментный базовый адрес, умно­жает его на 16 сдвигом влево на 4 двоичных разряда и скла­дывает с заданным каким-либо образом относительным адресом (смещением), получая 20-разрядный физический адрес адресуе­мой ячейки памяти (слова или байта). Этот процесс проиллю­стрирован на рис. 1.3 на конкретном примере команды inc meml.

Оперативная память слова

Программный сегмент		06FF
Сегмент данных
		Ячейка meml

Код команды inc meml

Смещение к ячейке meml

I—— Содержимое DS - 10E2h

10E20h Базовый адрес сегмента (на границе параграфа) lDE22h

lDE24h lDE26h Физический адрес ячейки meml

10Е28П Вычисление физического адреса:

lDE2h * 10h = lDE20h + ООО6h

=1DE26h

Рис. 1.3. Формирование физического адреса

В примере предполагается, что сегмент данных, адресуемый через регистр DS, имеет базовый адрес lDE20h, а ячейка meml расположена в байтах 6 и 7 этого сегмента (смещение meml относительно начала сегмента равно 6).

Поскольку младшая 16-ричная цифра базового адреса сег­мента должна быть равна 0, сегмент всегда начинается с адре­са, кратного 16, т.е. на границе 16-байтового блока памяти (параграфа). Число, хранящееся в сегментном .регистре, называ­ют сегментным адресом. Следует помнить, что сегментный ад­рес в 16 раз меньше физического; его можно рассматривать, как номер параграфа, с которого начинается данный сегмент.

Регистр CS обеспечивает адресацию к сегменту, в котором находятся программные коды, регистры DS и ES - к сегментам с данными (таким образом, в любой момент времени програм­ма может иметь доступ к 128 Кбайт данных), а регистр SS -к сегменту стека, который на машинах типа IBM PC, в отли­чие от других вычислительных систем, может быть очень большим и достигать 64 Кбайт. Сегментные регистры, естест­венно, не могут выступать в качестве регистров общего назна­чения.

Указатель команд IP "следит" за ходом выполнения про­граммы, указывая в каждый момент относительный адрес ко­манды, следующей за исполняемой. Регистр IP программно не­доступен (IP - это просто его сокращенное название, а не мнемоническое обозначение, используемое в языке программи­рования); наращивание адреса в нем выполняет микропроцес­сор, учитывая при этом длину текущей команды. Команды пе­реходов, прерываний, вызова подпрограмм и возврата из них изменяют содержимое IP, осуществляя тем самым переходы в требуемые точки программы.

Регистр флагов, эквивалентный регистру состояния процессо­ра других вычислительных систем, содержит информацию о те­кущем состоянии процессора (рис. 1.4). Он включает 6 флагов состояния и 3 бита управления состоянием процессора, кото­рые, впрочем, тоже называются флагами.

15 14 13 12 11 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00 Разряды

OF

DF

IF

TF

SF

ZF

AF

PF

CF

Рис. 1.4. Регистр флагов.

Флаг переноса CF (Carry Flag) индицирует перенос или за­ем при выполнении арифметических операций, а также служит индикатором ошибки при обращении к системным функциям.

Флаг паритета PF (Parity Flag) устанавливается в 1, если результат операции содержит четное число двоичных единиц.

Флаг вспомогательного переноса AF (Auxiliary Flag) исполь­зуется в операциях над упакованными двоично-десятичными числами. Он индицирует перенос или заем из старшей тетрады (бита 3).

Флаг нуля ZF (Zero Flag) устанавливается в 1, если резуль­тат операции равен 0.

Флаг знака SF (Sign Flag) показывает знак результата опе­рации, устанавливаясь в 1 при отрицательном результате.

Управляющий флаг трассировки (ловушки) TF (Trace Flag) используется для осуществления пошагового выполнения про­граммы. Если TF«1, то после выполнения каждой команды процессор реализует процедуру прерывания типа 1 (через век­тор, расположенный по адресу 04).

Управляющий флаг разрешения прерываний IF (Interrupt Flag) разрешает (если равен 1) или запрещает (если равен 0) процессору реагировать на прерывания от внешних устройств.

Управляющий флаг направления DF (Direction Flag) исполь­зуется командами обработки строк. Если DF-0, строка обраба­тывается в прямом направлении, от меньших адресов к боль­шим; если DF*1, обработка строки идет в обратном направле­нии.

Флаг переполнения OF (Overflow Flag) фиксирует перепол­нение, т.е. выход результата за пределы допустимого диапазона значений.

Для работы с регистром флагов предусмотрен ряд команд. Установка и сброс флагов CF, DF и IF осуществляется коман­дами STC, STD и STI (установка) и CLC, CLD и CLI (сброс). Все содержимое регистра флагов можно сохранить в стеке ко­мандой PUSHF и извлечь из стека командой POPF; кроме то­го, младший байт регистра флагов (флаги CF, PF, AF, ZF и SF) можно переслать в регистр АН командой LAHF или загру­зить в регистр флагов из АН командой SAHF.

Сегментация памяти

Перед тем как изучать регистры и команды процессора 8086, необходимо по­нять, как он адресует память, используя системные сегменты и смещения — терми­ны, часто вызывающие недоразумения.

Используя для представления значения адреса 20 бит, 8086-й процессор может иметь прямой доступ к 1 Мбайт памяти. DOS, ROM BIOS и другие находящиеся в памяти программы уже занимают определенное место памяти персонального ком­пьютера, поэтому остальные программы запускаются, используя меньшее про­странство памяти — до 640 Кбайт. Если вы хотите, чтобы ваша программа работа­ла на возможно большем числе компьютеров — ограничьте пределы необходимой памяти.

Замечание

Последние модели процессов, такие как 80386, 80486 и Pentium (известный как 80586), эмулируют режим процессора 8086. Методы, описанные в этой главе, применимы ко всем процессорам 80х86.