Logička organizacija memorije

[Kristijan]

6 LOGIČKA ORGANIZACIJA MEMORIJE

Iako se memorija većinom radi u istim DRAM izvedbama, ne radi sva memorija u računalu na isti način. Neki programi su ograničeni na korištenje samo dijelova ukupnih kapaciteta, neki dijelovi memorije su izvan dohvata programa.
Upravljanje memorijom i memorijskim resursima je dakako određeno načinom rada procesora. Kroz godine su Intel mikroprocesori, najčešće upotrebljavani, dramatično povećali mogući opseg adresiranja memorije pa je granica kapaciteta pomaknuta daleko naprijed.
Dakako s novim mogućnostima trebalo je memoriju učiniti kompatibilnom za i za stare programe pa je došlo do klasifikacije memorije.

Na hardverskoj razini računalo dijeli memoriju u nekoliko klasa koje se ne mogu promijeniti nikako osim podešavanjem hardvera samog. Hardverski je memorija često podijeljena u sektore - matrice, i na ćelije koje čuvaju po bit informacije, a za lakše adresiranje podijeljena je u redove i stupce.

Logička podjela vrši se prema kapacitetima memorije, mogućnosti adresiranja pojedinih procesora te zahtjevima operacijskog sustava i uslužnog te korisničkog softvera.

6.1 Konvencionalna memorija

Temelji na kojima je napravljen sustav memorije svakog računala je memorija koja može biti adresirana u realnom vremenu za vrijeme rada procesora (real mode). Za današnje procesore važno je da budu kompatibilni i sa starijim softverom (DOS) pa moraju oponašati dizajn memorije originalne 8086 porodice mikroprocesora. Temelj tog dizajna je operiranje u realnom modu. Zbog originalne 8086 mikroprocesorske porodice real mode rad dopušta samo adresiranje do 1Mb memorije. Zbog toga što opslužuje procesor koji radi u real modu taj startni segment memorije naziva se i real mode memory.
Raspon adresa korištenih u realnom modu počinje na početku adresnog opsega Intel procesora - na nuli. Zadnja adresa nalazi se na 1,048 Mb ili kao 000F:FFFFh.
Zbog toga što taj segment memorije počinje na početku mikroprocesorovog adresnog opsega , naziva se i Base memory .
Kad je real mode način rada bio zamijenjen protected mode načinom u doba 80286 procesora došlo se do novog adresnog opsega, a dotadašnji stari segment dobio je naziv Conventional memory ili konvencionalna memorija.
6.2 Proširena memorija

Ostatak memorije koja može biti adresirana modernim procesorima naziva se protected mode memory.
Taj segment memorije može biti adresiran samo ako procesor radi u zaštićenom načinu rada.
Opseg adresa širi se od vrha konvencionalne memorije do adresnih granica samog procesora. Drugim riječima počinje na 1Mb - 1,048,576 ili 0010:0000h i ide na 16Mb kod 80286 procesora i 4GB od 80386 do Pentium procesora.
Da se naglasi kontrast te memorije se nazivaju i extended memory ili proširena memorija.

6.3 Niža memorija

Kad je IBM napravio prvi PC rezervirali su pola od baznih 1Mb adresnog opsega 8088 mikroprocesora tj. 512Kb za sistemski BIOS (kod boota on se prebaci u memoriju ) i direktan pristup od strane mikroprocesora na dio memorije korišten kao video memorija.
Donja polovica - do 512Kb ostala je za pokretanje programa, a kasnije se granica pomakla prema gore za 128 Kb zahtjevima tadašnjeg softvera pa je za programe sada bilo rezervirano 640Kb. Tih 640Kb nazvano je Lower memory ili nižom memorijom. Stari DOS programi mogli su koristiti samo nižu memoriju za rad.

6.4 Viša memorija

Real mode opseg adresa iznad niže memorije naziva se Upper memory ili viša memorija.
Za razliku od niže memorije kojoj je srž fizički RAM, viša memorija je logička tvorevina sastavljena od RAM-a, ROM-a i rupa. Nemaju sve adrese u višoj memoriji dodijeljenu lokaciju u fizičkoj memoriji, naime nekoliko opsega adresa je dodijeljeno specifičnim sistemskim funkcijama, a ostali opsezi ostali su nedefinirani. Hardverska proširenja sistema zauzimaju neke od tih neiskorištenih opsega da bi dala procesoru pristup BIOS kodu pohranjenom u ROM čipovima na tim karticama proširenja.

U većini računala vršnih 32Kb više memorije su zauzeta ROM-om koji čuva BIOS kod.
Memory mapping mogučnosti 386 i kasnijih procesora omogućile su dizajnerima da
re-mapiraju fizičku memoriju do nekih od nekorištenih adresa u višoj memoriji. Koristeći softver koji upravlja memorijom (Memory Managment software), kao što su bili EMM386 ili QEMM, DOS je mogao pokretati uslužne programe (Utility software) u višim dijelovima memorije. Posljedično taj se dio memorije zove HIGH Memory Area iako termin nije u potpunosti točan. Zbog dizajna DOS-a programski kod u normalnoj DOS aplikaciji morao je stati u neprekinuti blok memorije. Sistemske funkcije dodijeljene opsegu adresa u višoj memoriji su pak prekidale taj kontinuitet koda i sprečavale DOS aplikacije pokretanje unutar adresnog opsega više memorije.

6.5 Bios Data Area

IBM je rezervirao 1Kb niže memorije za specifične hardverske i OS funkcije da bi osigurao prostor za informacije o sistemu i lokaciji određenih sekcija koda koji se izvršava kad dođe do specifičnih softverskih prekida. Između ostalog u taj segment spremali su se podaci korišteni od strane osnovnih BIOS funkcija pa je zato daj dio dobio ime BIOS Data Area.
Među tim bajtovima na dnu adresnog opsega mikroprocesora nalaze se i prekidni vektori (interrupt vectors) koji procesoru govore adresu korištenu od svakog prekida kojeg on treba posluživati. Također se tu spremaju bajtovi koji predstavljaju keyboard buffer - 16 bajta koji čuvaju kod zadnjih 16 znamenki koje je korisnik pritisnuo na tastaturi, kao i razni sistemski flagovi i indikatori stanja.

6.6 High Memory Area

Mikroprocesori sa mogućnostima rada u zaštićenom modu imaju interesantnu mogućnost - mogu adresirati više od 1Mb u i u realnom modu rada. Kad program koji radi na 8088 ili 8086 mikroprocesoru pokuša adresirati adrese više od jednog megabajta, adrese se omotaju iznad 1Mb i počinju opet od nule. Međutim kod 286 i viših procesora ,ako je aktivna 21 adresna linija (koje 8088 i njihova vrsta nemaju), prvi segment adresa koje prelaze 1Mb će prijeći preko proširene memorije tj. ona u real modu za njih ne postoji. Ta adresna linija ili A20 Gate može se aktivirati tijekom real moda rada koristeći programske instrukcije. Kao rezultat aktivacije dodatni segment memorije je dostupan 286 i višim procesorima u Real modu.
Taj extra komad memorije ima veličinu 16Kb minus 16bajta i zove se High memory area.
Zbog toga što nije kontinuiranog raspona adresa kao niža memorija ne može se koristiti kao dodatna memorija za pokretanje programa.
Međutim memory manageri mogu ondje relocirati drivere i male uslužne programe, s tim da ih može biti samo jedan pod DOS-om i da im je kod manji od 65,520 bajta koji su dostupni u tom opsegu adresa.


6.7 Frame Buffer Memory

Računalni video sistemi su memorijski mapirani što znači da je boja svakog pixela na monitoru pohranjena na neku memorijsku lokaciju da bi mikroprocesor mogao direktno utjecati na njih na isti načina kao da piše podatke. Grafički sistem skenira memoriju, adresu po adresu da bi nacrtao sličicu objekta na monitoru. Memorija ili segment memorije koja sadrži kompletan niz ili samo jednu sličicu (frame) objekta zove se frame buffer .
Zbog toga što procesor treba direktan pristup frame bufferu da bi mogao mijenjati podatke (pixele) u sličici, memorija frame buffera mora biti u adresnom okviru procesora.
Frame buffer rezerviran za VGA grafičku karticu počinje nakon 640Kb granice niže memorije.
Memorija dodijeljena za monokromni display počinje od 64kb i više.
Novije grafičke kartice često stavljaju svoj frame buffer u proširenu memoriju.
Fizički je memorija frame buffera odvojena od obične. U većini računala je frame buffer dio video kartice. Zbog te odvojenosti i zbog toga što se frame buffer ne može koristiti za izvođenje programa, količine memorije frame buffera se nikad ne pribraja kapacitetima sustava.
6.8 Shadow Memory

Novija 32 i 64 bitna računala omogućuju pristup memoriji kroz 16-,32- ili 64- bitne podatkovne sabirnice. Mnoge kartice koje imaju BIOS extenziju na sebi pristupaju računalu preko 8-bitne sabirnice. Kao rezultat toga ta se područja memorije ne mogu adresirati ni približno tako brzo kao preko sistemskih 32 i 64 bitnih sabirnica. Proboj kroz tu brzinsku barijeru napravljen je upotrebom shadow memorije. Princip je takav da se ROM rutine iz expanzijskih kartica kopiraju u brzi 32 ili 64 bitni RAM i mapiraju. Naravno takva je memorija onda volatilna i BIOS rutine se moraju kopirati u RAM svaki put kad se računalo boota.