2. Формирование физического адреса в реальном режиме

Для формирования адреса в реальном режиме используется два компонента – сегмент адреса и смещение адреса, а сам адрес принято записывать парой этих значений, разделенных двоеточием:

segment : offset,

например, $0051:06А5 (здесь символ $ обозначает, что следующая за ним последовательность символов, кроме двоеточия, является шестнадцатеричным кодом). Значение «segment» хранится в специальном 16-битном сегментном регистре микропроцессора, а смещение «offset» — помещается в один из 16-битных регистров общего назначения (РОН). Физический адрес формируется на аппаратном уровне следующим образом:

1. значение 16-битового сегмента адреса сдвигается влево на 4 двоичных разряда (бита) с заполнением разрядов справа нулями; в результате получается 20-битовое значение;

2. к полученному 20-битовому значению прибавляется смещение, а значение суммы передается на шину адреса в качестве физического адреса.

Получаемое значение физического адреса является 20-разрядным. Следовательно, с его помощью можно адресовать (т. е. получить доступ) 1 Мбайт (2²⁰ байт) оперативной памяти. Здесь можно отметить несоответствие размеров шины адреса современных микропроцессоров (32 или 36 бит) и 20-битного значения физического адреса реального режима. Пока микропроцессор находится в реальном режиме, старшие 12 (или 16) линий шины адреса попросту недоступны.

Как известно, сдвиг двоичного числа на 4 битов влево (или, что то же самое, сдвиг шестнадцатеричного кода на одну шестнадцатеричную позицию влево) эквивалентен умножению этого числа на 2⁴ = 16. Следовательно, физический адрес А определяется формулой

А = 16  segment + offset.

Величину  16segment  часто называют базой сегмента или просто базой, а схему формирования адреса обозначают термином «база-смещение». Эта схема иллюстрируется рисунком 2.1.

Рисунок 2.1 – Формирование физического адреса в реальном режиме

3. Особенности адресации в защищенном режиме

Защищенный режим работы позволяет использовать все возможности, предоставляемые современным микропроцессором. Все современные многозадачные операционные системы работают только в этом режиме.

Реальный режим поддерживает выполнение всего одной программы. Для этого достаточно простых механизмов распределения оперативной памяти и нет потребности в организации защиты программы от влияния других программ. Все, что нужно знать программе,  это адреса, по которым располагаются сегменты кода, данных и стека. Если возникает потребность в размещении в программно-аппаратной среде нескольких независимых программ, то автоматически встает вопрос об их защите от взаимного влияния. И процессор переходит в защищенный режим работы.

В отличие от реального режима, в защищенном режиме программа уже не может запросто обратиться по любому физическому адресу. В защищенном режиме используется виртуализация памяти (страничная модель). Каждой загруженной программе (задаче, процессу) операционная система выделяет 4 Гбайт виртуальной памяти, которая состоит из сегментов различного назначения и с разными правами доступа. Сегмент может иметь почти произвольный размер до 4 Гбайт, в отличие от сегмента реального режима, который не превышает 64 Кбайт. Из одних сегментов можно только читать данные, в другие возможна и запись.

Ключевым объектом защищенного режима является специальная структура – дескриптор сегмента, содержащий краткое описание непрерывной области памяти, которая может являться сегментом кода, данных или стека. Все дескрипторы программ, выполняемых в текущий момент, собираются в одну из трех дескрипторных таблиц.

Для программного кода выделяются специальные сегменты, команды могут выбираться и исполняться только из них. Процессору «безразлично» содержимое ячейки памяти, которой передается управление,  он всегда пытается трактовать ее как код команды. Если ошибочно управление передалось на сегмент данных, то сработает защита и ошибочный процесс будет завершен.

Виртуальная логическая память, адресуемая программой в пределах выделенных ей сегментов, разбивается на страницы. В системах Win32 с процессорами Pentium размер одной страницы составляет 4 Кбайт, следовательно, Win32 разбивает блок памяти 4 Гбайт на страницы по 4 Кбайт. При этом в каждой странице содержится небольшой объем служебной информации, в частности, данные о том, занята страница или нет.

В служебную информацию страницы входит ссылка на таблицу перевода страниц. Эта таблица связывает отдельную виртуальную страницу программы с реальной страницей, доступной в ОЗУ. Таким образом операционная система выполняет перевод виртуального адреса в реальный (физический) адрес ОЗУ.

Если активировано несколько программ, то в физической оперативной памяти в каждый момент времени присутствует только часть виртуальных страниц. Остальные страницы хранятся на диске, откуда операционная система может «подкачать» их в физическую память, предварительно выгрузив на диск часть не используемых в данный момент страниц. Обращение процессора к ячейке виртуальной памяти, присутствующей в физической памяти, происходит обычным образом. Если затребованная область памяти в данный момент отсутствует в физической памяти, то операционная система организует замену страниц, называемую свопингом (swapping).