Энциклопедия PC

3.2. Распределениепамяти 67

дет ссылаться на выделенную ей область при управлении отображением. Далее программа через диспетчер назначает отображение требуемой логической страницы из выделенной ей области дополнительной памяти на выбранную физическую страницу, расположенную в области UMA. После этого любые программные обращения процессора к физической странице, расположенной в пределах первого мегабайта, будут в действительности работать с логической страницей дополнительной памяти, расположенной выше первого мегабайта, причем без переключения в защищенный режим. Для работы с иной логической страницей требуется вызов диспетчера для переназначения отображения. В EMS 4.0, эмулируемой на процессорах 386+, появилась возможность увеличения числа доступных физических страниц и отображения дополнительной памяти не только на фиксированныеобластиUMA, ноиналюбыеобластипамяти.

Для поддержки EMS поначалу требовались специальные аппаратные средства. В компьютерах на процессорах 386 и выше появилась возможность программнойэмуляцииEMS, которуювMS-DOS 5+ выполняетдрайверEMM386.EXE.

Система EMS в основном предназначена для хранения данных — для исполняемого в данный момент программного кода она неудобна, поскольку требует программного переключения страниц через каждые 16 Кбайт. EMS используется в основном старым ПО, фирма Lotus продвигала эту спецификацию для хранения своих больших электронных таблиц. Ее используют для создания виртуальных дисков, хранения очередей заданий для печати, а также и для хранения данных и даже программного кода некоторых резидентных программ (в целях экономии стандартнойпамяти).

Расширенная память XMS (extended Memory Specification) — иная программная спецификация использования дополнительной памяти DOS-программами, разработанная компаниями Lotus, Intel, Microsoft и AST для компьютеров на процессорах 286 и выше. Эта спецификация позволяет программе получить в распоряжение одну или несколько областей дополнительной памяти, а также использовать область НМА. Распределением областей ведает диспетчер расширенной памяти — драйвер HIMEM.SYS. Диспетчер позволяет захватить или освободить область НМА (65 520 байт, начинаясlOOOOOh), атакжеуправлятьвентилем линииадресаА20. ФункциисобственноXMS позволяютпрограмме:

« определитьразмермаксимальногодоступногоблокапамяти; ш захватитьилиосвободитьблокпамяти;

и копировать данные из одного блока в другой, причем участники копирования могут быть блоками как стандартной, так и дополнительной памяти в любыхсочетаниях;

шзаперетьблокпамяти(запретитькопирование) иотперетьего;

иизменитьразмервыделенногоблока.

Вответ на запрос выделения области диспетчер выдает номер дескриптора блока (16-битное число XMS handler), по которому выполняются дальнейшие манипуляции с этим блоком. Размер блока может достигать 64 Мбайт. Спецификация XMS позволяет программам реального режима устраивать «склады» данных в дополнительной памяти, которая им непосредственно недоступна, копируявнееиизнееданныедоступныхобластейпервогомегабайтапамяти. До-

68 Глава3. Архитектура IBM PC-совместимого компьютера

ступ к диспетчеру XMS осуществляется через прерывание Int 2Fh. Заботу о переключении в защищенный режим и обратно для получения доступа к дополнительной памяти берет на себя диспетчер. По умолчанию HIMEM.SYS позволяет использовать до 32 дескрипторов блоков, но это число можно увеличить, задав параметр/NUMHANDLES=xx встрокезагрузкидрайвераHIMEM.SYS.

Кроме работы с дополнительной памятью спецификация XMS определяет пару функций и для работы с блоками UMB — захватить блок требуемого размера (или определить максимально доступный блок) и освободить его.

Как видно, спецификации EMS и XMS отличаются по принципу действия: в EMS для доступа к дополнительной памяти выполняется отображение (страничная переадресация) памяти, а в XMS — копирование блоков данных. На компьютерах с процессорами 386+ эти спецификации мирно сосуществуют при использовании драйвера HIMEM.SYS, поверх которого может быть загружен и драйвер EMM386.EXE, пользующийся памятью XMS для эмуляции EMS-памяти. Память, доступная EMS и XMS, может выделяться динамически из числа дополнительной. Ключ NOEMS в строке запуска EMM386 запрещает выделение памяти под использование по спецификации EMS.

3.2.4. Теневаяпамять— Shadow ROM

иShadow RAM

Вобласти верхней памяти UMA обычно располагаются устройства с медленной памятью: системная BIOS (System ROM BIOS), расширения BIOS на графическом адаптере (Video ROM BIOS), на контроллерах дисков и интерфейсов (Adapter ROM), ПЗУ начальной загрузки на сетевой карте (Boot ROM), видеопамять (Video Memory Buffer). Они, как правило, реализованы на 8- или 16-битныхмикросхемах с довольно большим временем доступа. Обращение к полноразрядному системному ОЗУ выполняется гораздо быстрее. Для ускорения обращений к памяти этих устройств применяется теневая память (Shadow Memory) — подмена ее системным ОЗУ. Теневая память появилась на развитых моделях АТ-286, где она была реализована аппаратно. Процессоры класса 386+ позволяют ее реализовать программно, с помощью страничной переадресации (см. п. 5.2.2). Затенение ОЗУ и ПЗУ устройств выполняется по-разному.

При инициализации теневого ПЗУ (Shadow ROM) содержимое затеняемой области копируется в ОЗУ, и при дальнейшем чтении по этим адресам подставляется ОЗУ, а запись в эту область блокируется.

При использовании теневого ОЗУ (Shadow RAM) запись производится одновременно в физическую память затеняемой области и в системное ОЗУ, наложенное на эту область. При чтении затененной области обращение идет только к системной памяти, что происходит гораздо быстрее. Особенно велик эффект от затенения видеопамяти старых графических адаптеров, которая по чтению бывает доступна только во время обратного хода развертки, и процессору приходится долго ждать этого момента. Однако затенение областей разделяемой памяти, модифицируемых со стороны адаптеров, недопустимо — эти изменения не будут восприняты процессором. К разделяемой относится буферная память сетевых адаптеров, видеопамятьадаптеровсграфическимисопроцессорами(аксе-

3.2. Распределениепамяти 69

лераторами). Из этого следует, что затенение видеопамяти применимо только к примитивным графическим картам, устанавливаемым в слот ISA, и то не во всех режимах.

Обычно теневая память включается через CMOS Setup отдельными областями размером по 16 Кбайт или более крупными, и для каждой области указывают режим затенения (Shadow ROM или Shadow RAM). Возможно ее включение и драйверами ОС (например, драйвером EMM386). На современных системных платах затенение области системной BIOS выполняется всегда, на старых платах затенением этой области можно было управлять. Затенение BIOS видеоадаптера (Video BIOS Shadowing) для работы в среде Windows с «родными» драйверами графического адаптера можетинедаватьприроста производительности.

3.2.5. Архитектура унифицированной памяти— UMA

Видеопамять графического адаптера является особой областью памяти, к которой во время непрерывного процесса регенерации экрана интенсивно обращается и центральный процессор, и графический акселератор (если таковой имеется). Видеопамять традиционно является физически выделенной памятью сравнительно (по сравнению с ОЗУ) небольшого объема, и для нее разными способами обеспечивают максимальную производительность — увеличивают разрядность до 128 бит, повышают частоту, применяют специализированные, в том числе и двухпортовые, микросхемы памяти. Это, конечно же, приводит к удорожанию компьютера. Для современных графических акселераторов требуется доступ к большому объему памяти, причем с высокой производительностью. Вместо предоставления локальной памяти адаптера была предложена архитектура унифицированной памяти UMA (Unified Memory Architecture). Здесь для видеопамяти (и других нужд акселератора) выделяется область в общем пространстве единой физической оперативной памяти. За этот способ снижения стоимости приходится расплачиваться снижением производительности как видеосистемы, так и основной памяти. Архитектура UMA применяется в чипсе-тах системной платы с интегрированной графикой для недорогих компьютеров. При этом может предоставляться возможность установки и дополнительного специализированного модуля видеопамяти, позволяя за дополнительные деньги отказаться от UMA. Если с графического адаптера AGP убрать локальную память, этот высокопроизводительный адаптер вырождается в систему сUMA.

3.2.6. Виртуальнаяпамять

Виртуальная память (Virtual Memory) представляет собой программно-аппаратное средство расширения пространства памяти, предоставляемой программе в качестве оперативной. Как уже было сказано в главе 1, эта память физически реализуется в оперативной и дисковой памяти под управлением соответствующей операционной системы. Виртуальное пространство памяти разбито на страницы фиксированного размера, а вфизической оперативной памяти вкаждый

70 Глава 3. Архитектура IBM PC-совместимого компьютера

момент времени присутствует только часть из них. Остальные страницы хранятся на диске, откуда операционная система может «подкачать» их в физическую память, предварительно выгрузив на диск часть не используемых в данный момент модифицированных страниц. Обращение процессора к ячейке виртуальной памяти, присутствующей в физической памяти, происходит обычным способом. Если же затребованная область в данный момент не отображена в физической памяти, процессор вырабатывает исключение (внутреннее прерывание), по которому операционная система программно организует замещение страниц, называемое свопингом (Swapping). Виртуальную память поддерживают процессоры, работающие в защищенном режиме, начиная с 80286, но реально ее широко стали использовать только в операционных системах и оболочках для 32-разрядных процессоров (80386+). Виртуальная память используется лишь при наличии дополнительной памяти, а ее максимальный объем определяется размером файла подкачки (Swap File), выделяемом на жестком диске на нужды виртуальной памяти. В принципе файл подкачки может располагаться и на сетевом диске, но при этом трафик сети будет напряженным. Вопросы организации виртуальной памяти в основном относятся к области системного программного обеспечения (ядра операционной системы), здесь же мыограничимся приведенным описанием.

3.2.7. Оптимизацияиспользования оперативной памяти

Оптимизация использования памяти может преследовать две цели — увеличение объема памяти, доступной приложением, и повышение быстродействия обращений к памяти. На старых машинах, когда объем установленной физической памяти не превышал единиц мегабайт, зачастую приходилось чем-то жертвовать; в современных системах достижение обеих целей уже не противоречит друг другу. Нет сомнений в том, что чем больше установленный объем ОЗУ, тем лучше — компьютер будет мощнее: он позволит загружать приложения, особо «жадные» до памяти; увеличить число одновременно работающих приложений (в многозадачной ОС); ускорить работу. Однако для обеспечения возможности использования памяти в ряде случаев требуются некоторые дополнительные действияпоконфигурированиюкомпьютера.

В системах с размером установленной памяти более 640 Кбайт возможны различные варианты использования последних 384 Кбайт из первого мегабайта физическойпамяти:

ш памятьнеиспользуется;

»область(иличастьее) перемещается вконецдополнительной памяти; » область (или часть ее) используется в качестве теневой (Shadow) памяти адаптеров и ROM BIOS.

Перемещение неиспользуемого остатка первого мегабайта в конец дополнительной памяти (разрешается установкой параметра Memory Relocation в CMOS Setup) возможно не всегда. Обычно такое перемещение становится невозможным, если хоть часть из этого кусочка используется в качестве теневой памяти.

3.2. Распределениепамяти 71

Также перемещение может предлагаться лишь при небольших объемах установленной памяти, и на современных системных платах эта возможность почти не встречается. Поэтому не стоит удивляться сообщению об объеме памяти, обнаруженном тестом POST, в котором относительно установленного «не хватает» 384 Кбайт.

Иногда BIOS предлагает такое распределение памяти, при котором под стандартную память выделяется 512 Кбайт, а остальная память идет как расширенная. Пользу такого распределения оценить трудно. При этом вышесказанное про верхние 384 Кбайт становится справедливым для оставшихся 512 Кбайт, правда, на возможность их перемещения в конец дополнительной памяти ограничения будутмягче.

Остреевсегопроблемаобеспечениядоступностипамятистоитдляприложений MS-DOS, исполняемых в среде этой системы. Обычно «битва» идет за килобайты стандартной памяти (conventional memory), доступной приложениям. Из 640 Кбайт после загрузки ОС и необходимых резидентных драйверов на долю приложений может остаться около 500 Кбайт, а то и меньше, что для ряда приложений неприемлемо. Несмотря на повсеместное внедрения ОС типа Windows 9х, интерес к запуску больших приложений MS-DOS (например, бухгалтерских программ, в том числе и принудительно распространяемых налоговыми органами, атакжеигр) сохраняетсяипоныне. Сообщениеонехваткепамятинакомпьютерес ОЗУ размером, например, 32 Мбайт для приложения, скромно просящего всего 590 Кбайт, неприятно удивляет неискушенных пользователей. Однако эта нехватка не фатальна, если правильно выбрать версию и способ загрузки ОС. Все программные настройки, влияющиенаобъемдоступнойпамяти, кроютсявфайлахCONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT, размещенныхвкорневомкаталогезагрузочногодиска.

Понимая проблемы с использованием памяти различными процессорами, для DOS-приложений можно рекомендовать следующие версии MS-DOS, оптимальныепоразмерусвободнойстандартнойпамяти:

»для компьютеров класса XT на процессорах 8086/88 — MS-DOS 3.30;

»длякомпьютеров класса AT на процессорах 80286 — MS-DOS 5.x;

»для компьютеров класса AT на процессорах 80386 и выше — MS-DOS 6.2x (правда, одно время встречались некачественные системные платы для 80386, на которых MS-DOS 6.2x отказывалась загружаться в НМА, хотя MS-DOS 5.x работала нормально).

Кроме MS-DOS существуют и другие операционные системы реального ре-

жима, совместимые с MS-DOS (например, PC DOS, DR DOS, COMPAQ DOS).

Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с соответствующим поколением MS-DOS, но их обсуждение выходит за рамки данной книги. Операционныесистемы(иоболочки) защищенногорежиманакомпьютерыс процессоромклассаниже386 пытатьсяустанавливатьпочтибессмысленно.

Система MS-DOS 3.3 (более ранние рассматривать не будем) загружалась целиком в стандартную память, но была довольно компактной и оставляла приемлемое место для приложений своего времени. Когда вышла MS-DOS версии 4 с более развитыми возможностями, появившимися ценой ее разрастания, мно-

72 Глава3. АрхитектураIBM PC-совместимогокомпьютера

гие приложения отказывались работать в ее среде именно из-за нехватки памяти, и эта версия ОС широкого распространения не получила. Более удачной стала версия 5, которая «научилась» использовать «высокую память» (НМЛ) на компьютерах с процессором 286 и выше, если таковая присутствовала. Для этого был введен специальный драйвер высокой памяти, и в файле CONFIG.SYS должны присутствовать строки:

DEVICE=[<path>]HIMEM.SYS (загрузка драйверавысокойпамяти) DOS=HIGH (указание назагрузку ОСввысокуюпамять)

Конечно, в верхнюю память загружается не вся ОС — часть все-таки попадает и в стандартную память. Кроме того, в стандартную память загружаются и резидентные драйверы — например, русификаторы клавиатуры и экрана, драйвер мыши и т. п. Все они отрывают свой кусок от памяти, которую могли бы использовать приложения. На компьютерах с 32-разрядными процессорами (386 и выше), имеющих механизм страничной переадресации, появилась возможность использования «верхней памяти» (UMA) с помощью драйвера EMM386.EXE. Этот драйвер отыскивает в области UMA (AOOOO-FFFFFh) регионы, не занятые памятью устройств, и отображает их на области доступной дополнительной памяти. В эти регионы, нормально адресуемые процессором в реальном режиме, можно помещать модули операционной системы и загружаемые драйверы; их же могут использовать и приложения.

Для наиболее компактной загрузки MS-DOS версий 5 и выше (а также Windows 9х, которая может представляться как MS-DOS 7) в файле CONFIG.SYS должны быть следующие директивы:

DEVICE=[<path>]HIMEM.SYS (загрузка драйверавысокойпамяти)

DEVICE=[<path>]EMM386.EXE (загрузка диспетчерарасширеннойпамяти) DOS=HIGH, UMB (указание назагрузку ОСввысокуюиверхнююпамять)

Резидентные драйверы (русификаторы клавиатуры, экрана и принтера, драйвер мыши) по умолчанию обычно загружаются в стандартную память. Если приложениям MS-DOS не хватает свободной памяти, то по крайней мере часть резидентных драйверов можно загрузить в верхнюю память UMA. Для драйверов, загружаемых из файла CONFIG.SYS, вместо команды DEVICEследует использовать команду DEVICEHIGH [/L:n[,m]]-, которая попытается загрузить драйвер в п-реги-он UMB. Необязательный параметр m задает требуемый объем памяти (он может отличаться от размера файла с драйвером). Ключ загрузки /L вместе с параметрами n, m используется для ручной оптимизации памяти. Если драйверу требуется выделить несколько областей памяти, то они перечисляются в списке вида /L:nl[.ml]:n2[.m2][;...]. Для резидентных программ, загружаемых из файла AUTOEXEC.BAT, тем же целям служит команда LOADHIGH (LH) с аналогичными необязательными параметрами, задающими размер одной или нескольких областей UMА. Строка запуска будет иметь вид

LH[/L:n[,m] ] <путь\хфайл>[<параметры>]

Посмотреть текущее положение свободных блоков памяти можно командой MEM /F из командной строки DOS/Windows. Чтобы не заниматься ручной оптимизацией памяти, в состав DOS/Windows введена диалоговая утилита MEMMAKER.EXE, котораязанесколькоэтаповрасставиттребуемыекомандывфай-

3.2. Распределениепамяти 73

лах CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT. До ее запуска в этих файлах должны присутствовать ссылки на все необходимые драйверы и программы. Файл CONFIG.SYS долженначинатьсясвышеприведенныхтрехстрок(еслинеуказатьDOS=HIGH, утилита может «постесняться» использовать высокую память для загрузки DOS). Запуск нерезидентных приложений, а также оболочки типа Norton Commander из файла

AUTOEXEC.BAT на время работы MEMMAKER следует отменить (MEMMAKER

несколько раз перезагружает компьютер и автоматически запускается после отработки файла AUTOEXEC.BAT). При начальном запуске MEMMAKER спрашивает, требуется ли память EMS для приложений, и если нет, то установит ключNOEMS в строкезапускаEMM386.

Для того чтобы в верхнюю память поместилось как можно больше модулей, ее следует оптимизировать. Оптимизация UMA подразумевает такое конфигурирование базовых адресов буферной и постоянной памяти адаптеров, при котором свободные области UMA получались бы максимально возможного размера. Нужно стремиться к плотному соединению областей UMA, занимаемых адаптерами. Тогда максимальный размер блоков UMB увеличится, и драйвер типа EMM386 сможет разместить в нем более крупные модули, что, в свою очередь, позволит освободить дополнительное место в остродефицитной стандартной памяти. Если на конфигурирование адаптеров не обращать внимания, то может оказаться, что два компьютера с одинаковым составом аппаратных средств и программным обеспечением будут после загрузки ОС иметь значительно различающиеся размеры стандартной памяти.

Многие адаптеры (контроллеры SCSI, адаптеры локальных сетей и др.) позволяют задавать адреса областей встроенных RAM и ROM, отображаемых в пространство памяти компьютера. Это позволяет разрешать (или, наоборот, создавать) конфликты использования UMA, а также оптимизировать использование ее блоков. При конфигурировании устанавливаемых адаптеров необходимо исключить перекрытия занимаемых адресов, поскольку из-за этого, скорее всего, ни одно из конфликтующих устройств работать не будет. Самый неприятный (трудно устранимый) конфликт возникает, если при конфигурировании какого-либо адаптера его память перекрывает буфер или BIOS графического адаптера. Если конфигурирование осуществляется джамперами, то вернуть нормальную конфигурацию труда не составит. А если адаптер конфигурируется только с помощью специальной утилиты, изменяющей содержимое его энергонезависимой памяти, то изменить его конфигурацию можно, лишь загрузив и выполнив соответствующую утилиту. Но при конфликте с графическим адаптером это сделать не так-то просто — в лучшем случае удастся загрузить компьютер со «слепым» экраном, а в худшем — POST откажется продолжать тестирование и загрузку, обнаружив ошибку графического адаптера и сообщив об этом попискиванием динамика. Но эта ситуация не так безнадежна: есть еще в природе графический адаптер MDA, у которого видеобуфер не совпадает по адресам с распространенными адаптерами EGA и VGA, а расширение BIOS у него отсутствует. Вставив неудачно сконфигурированную плату в компьютер с адаптером MDA (и, конечно, соответствующим монитором), можно утилитой задать правильную конфигурацию. Однако этот способ для новых компьютеров, не имеющих слотов шины ISA, уже не пригоден.

74 Глава 3. Архитектура IBM PC-совместимого компьютера

Кроме занимаемого пространства оптимизация использования UMA касается, как ни странно, и быстродействия. Для областей памяти адаптеров часто бывает полезным применение теневой памяти. Управление теневой памятью осуществляется через CMOS Setup для определенных областей. Поэтому, размещая конфигурируемые области памяти, иногда следует учитывать возможности задания границ теневой памяти в CMOS Setup. Необходимо помнить, что Shadow ROM блокирует запись, a Shadow RAM игнорирует возможность изменения со стороны адаптера затеняемой области памяти, что приведет к ошибкам при некорректном использовании теневой памяти. Для процессоров 386 и выше теневую память может организовать и драйвер EMM386, но этой его функцией пользуютсяредко.

Работу приложений в среде MS-DOS, в которой активно используется программный код BIOS, значительно ускоряет затенение ROM BIOS, как системной, так и BIOS графического адаптера и дискового контроллера. Для многозадачных ОС защищенного режима (Windows и др.) затенение ROM BIOS ускоряет только начальный процесс загрузки ОС, поскольку в рабочем режиме здесь в основном используются драйверы, загружаемые вОЗУ.

Приложения ОС Windows пользуются виртуальной памятью и никакие старые спецификации EMS и XMS им не нужны. Суммарный объем виртуальной памяти, доступной всем приложениям, определяется размером ОЗУ и файлов подкачки (их может быть и несколько). В Windows 9x размер файла подкачки изменяется динамически, по мере потребностей системы. Для того чтобы приложениям хватало памяти, на диске, несущем файл подкачки, должно быть достаточно свободного пространства (десятки и сотни мегабайт). Конечно же, важен и объем установленной физической памяти — ее малый объем может быть принципиальным ограничением на запуск ряда приложений или установку операционных систем. При малом объеме ОЗУ свопинг (подкачка страниц) будет слишком интенсивным, в результате чего скорость работы приложений существенно снижается (обращения к диску выполняются на несколько порядков медленнее, чем к ОЗУ). Приложения реального времени (например, аудио- и видеопроигрыватели и тем более кодеры) могут стать неработоспособными именно из-за малого объема ОЗУ. Поскольку файл подкачки изменяет свой размер в процессе работы, важно следить за фрагментацией диска, несущего этот файл — обращение к фрагментированному файлу выполняется медленнее, чем к нефрагментированному. При выборе диска для размещения файла подкачки следует учитывать его быстродействие — время доступа и скорость передачи данных. При использовании приложений реального времени, интенсивно обменивающихся с дисками (те же проигрыватели и кодеры, а также программы, записывающие компакт-диски), по возможности файл подкачки следует размещать на других дисках.

ВНИМАНИЕ—————————————————————————————————————————————

Если на компьютере под управлением ОС защищенного режима (Windows, Unix, OS/2...) перестают запускаться приложения с сообщениями о недостаточном объеме оперативной памяти — проверьте наличие свободного места на жестких дисках, используемых для подкачки. Если памяти не хватает приложениям MS-DOS — проверьте файлы AUTOEXEC.BAT и CONFIG.SYS и запустите утилиту MEMMAKER или выполните ручную оптимизацию памяти.

3.3. Пространствоввода-вывода 75

Увеличение физического объема оперативной памяти в ряде случаев может привести к неожиданному снижению производительности компьютера. Это возможно, когда системная плата (или процессор со вторичным кэшем) не способна кэшировать весь объем ОЗУ. У многих системных плат для процессоров Pentium кэшируются только первые 64 Мбайт ОЗУ; у первых процессоров Pentium II кэшировались только 512 Мбайт. Память, выходящая за размеры кэ-шируемой области, конечно же доступна, но ее производительность гораздо ниже кэшируемой. ОС Windows 9x распределяет память, начиная с верхней границы доступной памяти, причем наверх попадает ее ядро, скорость работы которого существенна для работы многих приложений. Если после увеличения ОЗУ ядро попадает в некэшируемую область, можно наблюдать снижение производительности. Для лечения этого недуга можно воспользоваться условно-бесплатной программой W2CACHE.COM, которая запускается в начале загрузки Windows и, оставаясь резидентной, «съедает» верхнюю часть памяти, заставляя ядро Windows загружаться в нижнюю, кэшируемую область. После окончания загрузки Windows программа освобождаетзанимаемуюпамять, иОСотдаетеевраспоряжение приложений.

3.3. Пространствоввода-вывода

Процессоры семейства 8086 имеют раздельную адресацию памяти и портов вводавывода. Для обращения программы к пространству ввода-вывода предназначены всего четыре инструкции процессора: IN (ввод из порта в регистр процессора), OUT (вывод в порт из регистра процессора), INS (ввод из порта в элемент строки памяти) и OUTS (вывод элемента из строки памяти в порт). Последние две инструкции, появившиеся с процессором 80286, могут использоваться с префиксом повтора REP, что обеспечивает быструю пересылку блоков данных между портом и памятью. Обмен данными с портами, при котором применяют строковые инструкции вводавывода, получил название РЮ (Programmed Input/Output — программированный ввод-вывод). Скорость такого обмена превышает скорость стандартного канала прямого доступа (DMA), правда, DMA в отличие от РЮ почти не занимает процессорного времени. Разрядность слова, передаваемого за одну инструкцию ввода-вывода, может составлять 8, 16 или 32 бита. В зависимости от выровненности адреса по границе слова и разрядности данных используемой шины это слово может передаваться за один или несколько циклов шины с указанием соответствующего нарастающего адреса в каждом цикле обращения к памяти. Инструкции вводавывода порождают шинные циклы обмена, в которых вырабатываются сигналы чтения порта/записи в порт. На шине ISA это сигналы IORD# и IOWR# соответственно, они и отличают пространство ввода-выво-ла от пространства памяти, где соответствующие операции чтения и записи вы-;.-|*юатывают сигналы MEMRD# и MEMWR#. На шине PCI разделение памяти и про-. транства ввода-вывода происходит иначе — здесь тип операции кодируется четырехбитной командой в зависимости от типа инструкции, выполняемой профессором.

76 Глава3. АрхитектураIBM PC-совместимогокомпьютера

Во избежание недоразумений и для экономии шинных циклов рекомендуется выравнивать адреса 16-битных портов по границе слова, а 32-битных — по границе двойного слова. Обращение по выровненным адресам выполняется за один цикл системной шины. Обращение по невыровненным адресам выполняется за несколько циклов, причем однозначная последовательность адресов обращений (которая зависит от модели процессора) не гарантируется. Так, например, одна инструкция вывода слова по нечетному адресу приведет к генерации двух смежных шинных циклов записи. При программировании обращений следует учитывать специфику устройств ввода-вывода. Если, например, устройство допускает только 16разрядные обращения, то старший байт его регистров будет доступен лишь при вводе-выводе слова по четному адресу.

Для дешифрации адресов портов в оригинальном PC из 16 бит использовались только младшие 10 (АО-А9), что обеспечивает обращение к портам в диапазоне адресов 0-3FFH. Старшие биты адреса, хотя и поступают на шину, устройствами игнорируются. В результате обращения по адресам, к примеру 378h, 778h, B78h и F78h, будут восприниматься устройствами одинаково. Это упрощение, нацеленное на снижение стоимости как системной платы, так и схем плат адаптеров, для шины ISA никто не отменял. Традиционные адаптеры для шины ISA, называемые Legacy Card («наследие тяжелого прошлого»), для старших бит адреса не имеют даже печатных ламелей на своем краевом разъеме. Впоследствии перешли к 12-битной адресации устройств шины ISA, но ее приходится применять с оглядкой на возможное присутствие устройств с 10-битной адресацией. В адаптерах для шин МСА и PCI используются все 16 бит адреса, полная дешифрация адреса используется и в современных системных платах. Карта распределения адресов ввода-вывода стандартных устройств PC приведена в табл. 3.1. Эта карта подразумевает 10-битную дешифрацию адреса. Естественно, что в конкретном компьютере реально присутствуют не все перечисленные устройства, но в то же время там могут оказаться другие, не попавшие в таблицу.

Таблица3.1. Стандартнаякартапортовввода-вывода