Теория 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.

В современных компьютерах единицей адресации является байт — ячейка памяти размером 8 бит. При этом и АЛУ, и шина данных могут иметь большую разрядность (хотя, конечно, эта разрядность всегда кратна байту -8, 16, 32 или 64 бита). Разрядность АЛУ и шины данных может не совпадать: так, 18088 имел 16-разрядное АЛУ и 8-разрядную шину, MC68000 и 180386SX — 32-разрядное АЛУ и 16-разрядную шину. Что при этом понимается под "словом" - зависит от фантазии изготовителей процессора. Например, у вполне 32-разрядного VAX документация называет 16-битовую структуру словом, а 32-битовую — двойным или- длинным словом, хотя, обычно, длиной слова считается все-таки разрядность АЛУ.
При этом различные процессоры по-разному подходят к адресации слов.
Во-первых, некоторые процессоры (PDP-11, SPARC) запрещают обращения к словам, адрес которых не кратен размеру слова, и генерируют при попытках такого обращения исключительную ситуацию ошибки шины. Другие процессоры, например VAX и х86 такие обращения разрешают, но в документации есть честное предупреждение, что обращения к невыровненным словам будут минимум в два раза медленнее, чем к выровненным (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Выровненные и невыровненные обращения к словам

Во-вторых, есть разногласия в том, как следует адресовать (или, как следует интерпретировать при арифметических операциях) байты одного слова — по какому адресу находятся старшие 8 битов, а по какому — младшие? У одних Процессоров (IBM/390, MC68000, SPARC) — старший байт располагается по меньшему адресу (big endian), у других (VAX, x86) - по большему (little etidian). Встречаются и процессоры со смешанным порядком байтов, когда, например, из двух байтов полуслова по меньшему адресу расположен младший, а из двух полуслов по меньшему адресу расположено старшее (рис. 2.5). Некоторые современные процессоры, например PowerPC, MIPS, SPARC V9 могут работать и с тем, и с другим порядком байтов, причем иногда даже в пределах одной программы.

Рис. 2.5. Порядок байтов в слове

Возможные различия в порядке байтов следует принимать во внимание при разработке форматов для передачи данных по сети или сохранения в файле. Кроме того, некоторые ошибки программирования (например, неявное преобразование указателя на байт в указатель на 16- или 32-битовое целое число) относительно безобидны на машинах, у которых младший байт первый, и приводят к немедленным катастрофическим результатам на компьютерах, использующих меньший адрес для старшего байта.

 
Назад Содержание Вперед