Дополнительная память
Память ПК, остающаяся за вычетом первого мегабайта (т.е. за вычетом базовой памяти), называется дополнительной (Extended Memory). Дополнительная память является естественным дополнением к обычной (базовой) памяти компьютера, на что и указывает само её название. Однако единственный (но, к сожалению, определяющий) факт, в котором нет никакой естественности, заключается в том, что подавляющему большинству программ MS DOS она не доступна! Чтобы использовать дополнительную память, процессор компьютера должен работать в специальном режиме, называемом защищённым. А операционнная система MS DOS не поддерживает этого режима процессора. Таким образом, владелец современного компьютера IBM AT, оснащенного памятью, скажем, в 8 Mb, часто либо вообще не использует дополнительные 7 Mb, либо размещает в них электронный диск или буферную кэш-память для дисков. В версии Турбо Паскаля 7.0 (точнее, в пакете Borland Pascal with Objects 7.0) введена поддержка защищенного режима микропроцессоров 80286/ 80386/80486, в котором используется дополнительная память. Однако эта поддержка не касается стандартных средств работы с дополнительной памятью. Тем не менее отдельные программы MS DOS применяют технологию "расширения MS DOS", которая позволяет им воспользоваться преимуществами дополнительной памяти. Примером таких программ служат Lotus 1-2-3 (Lotus Development Corporation) и Paradox 386 (Borland International). Компьютеры же на базе микропроцессоров Intel 8086 и 8088 не могут иметь дополнительную память, т.к. не имеют защищённого режима. Эти микропроцессоры функционируют исключительно в реальном режиме и поэтому не годятся для работы с программами, использующими дополнительную память. Дополнительную память иногда называют XMS-памятью; XMS - сокращение от eXtended Memory Specification (спецификация дополнительной памяти). Не путайте эту аббревиатуру с другой - EMS (Expanded Memory
Расширенная память
Ранние IBM-совместимые ПК типа IBM PC/XT оснащались микропроцессорами 8088 или 8086, способными работать с оперативной памятью емкостью не более 1 Мбайт. Несмотря на значительные размеры этой памяти, в ряде прикладных программ ее оказывается недостаточио. Такие программы вынуждены интенсивно использовать диск для размезщения больших объемов данных, что сильно снижает их производительность. Поэтому почти одновременно с появлением компьютеров IBM PC/XT начались поиски путей повышения производительности крупных прикладных пропоим (табличных процессоров, систем управления базами данных и т.п.) за счет использования оперативной памяти большего чем 1 Мбайт размера. Эти поиски привели к выработке соглашения между ведущими фирмами-разработчиками программно-аппаратных средств, которое известно как EMS LIM (от Expanded Memory Specification - спецификация расширенной памяти, удовлетворяющая стандарту фирм Lotus-Intel-Microsoft). В соответствии с этим стандартом ПК оснащаются специальными EMS-платами, содержащими собственно расширенную память микросхемы, обеспечивающие доступ к ней. Память, организованная по принципам спецификации EMS, называется расширенной памятью. На компьютерах с микропроцессорами 80386 и 80486 расширенная память может эмулироваться программно. Начиная с версии 4.0 операционная система MS DOS поставляется с драйверами расширенной памяти XMAEM.SYS и XMA2EMS.SYS. В DOS 5.0 их функции выполняет драйвер EMM386.SYS. Последний на ПК с микропроцессорами 80386/80486 обеспечивает эмуляцию расширенной памяти, т.е. программно реализует функции EMS-платы и преобразует дополнительную память в расширенную. Кроме того, драйвер EMM386.SYS создает блоки верхней памяти (UMB).
Для функционирования драйвера EMM386.SYS требуется обеспечить поддержку расширенной памяти, которую осуществляет драйвер HIMEM.SYS. При этом драйвер HIMEM.SYS должен быть загружен до драйвера EMM386.SYS, поэтому строка DEVICE=HIMEM.SYS в файле CONFIG.SYS должна предшествовать строке DEVICE=EMM386.SYS. Таким образом, дополнительная память - это просто добавочная память. Расширенная память - это специальная добавочная память, удовлетворяющая требованиям спецификации EMS. Следует отметить, что термины "дополнительная" и "расширенная" память применяются только в операционной системе DOS. В других операционных системах, например, в OS/2, Unix или Windows NT можно использовать всю память компьютера. В этих операционных системах память называется просто "памятью".
Верхняя память
Помимо базовой, расширенной и дополнительной памяти, в ПК существует еще так называемая верхняя память (не путайте с верхним блоком памяти!). Как известно, 20-разрядный адрес при работе ПК в реальном режиме образуется путем сложения двух 16-разрядных слов - сегмента и смещения. Перед сложением сегмент смещается на 4 разряда влево (умножается на 16), что и обеспечивает 20-разрядный результат сложения - адрес конкретного байта. Формальное сложение сегмента и смещения может привести к переполнению 20-разрядной адресной сетки. Действительно, если, например, сегмент S=$FFFF, а смещение O=$0010, то сложение $FFFF*16 + $0010 дает значение $100000, для представления которого требуется уже 21 разряд. Поскольку в ПК применяется 20-разрядная шина, переполнение результата не может использоваться, и "лишний" 21-й разряд просто теряется, т.е, адресация с сегментом S= $FFFF и смещением O> $000F эквивалентна адресации с сегментом S= $0000 и смещением O= O - $0010. В адресной шине IBM AT имеется 21-й разряд, но его использование обычно запрещено. Однако в таких компьютерах предусмотрена возможность программного управления 21-м разрядом. Если этот разряд разблокировать, программе, работающей в реальном режиме процессора, станут доступны еще почти 64 К (без 16 байт). Эта часть памяти и называется верхней (High Memory Area). MS DOS версии 5.0 и некоторые совместимые с ней операционные системы других фирм (например, DR-DOS фирмы Digital Research версии 4.0 и выше) могут размещать в верхней памяти свои резидентные части, тем самым освобождая драгоценную стандартную память для программ пользователя. Таким образом, существуют 4 вида оперативной памяти: • базовая - с адресами от $00000 до $FFFFF; • верхняя - с адресами от $100000 до $10FFEF; • дополнипельная - с адресами от $100000 до $FFFFFFFF; • расширенная - организуется специальными аппаратными средствами на компьютерах с микропроцессорами 8088, 8086, 80286 и может программно эмулироваться на процессорах 80386 и 80486.
1.2 Принципы управления и распределения оперативной памяти
Основной ресурс системы, распределением которого занимается ОС - это оперативная память (ОП). Поэтому организация памяти оказывает большое влияние на структуру и возможности ОС.
Используемые в операционных системах алгоритмы распределения ОП многообразны. Причинами этого многообразия являются:
· многоуровневая структура памяти (регистровая, оперативная, внешняя)
· стремление обеспечить пользователя характеристиками, отличными от реальных (виртуальная память)
· необходимость согласования распределения ОП с распределением центрального процессора
Самый простой случай управления памятью - ситуация, когда диспетчер памяти отсутствует, и в системе может быть загружена только одна программа. Именно в таком режиме работают CP/M и RT-11 SJ (Single-Job, однозадачная).
В этих системах программы загружаются с фиксированного адреса PROG_START. В CP/M это 0x100; в RT-11 - 01000. В адресах от 0 до начала программы находятся вектора прерываний, а в RT-11 - также и стек программы. В этом случае управление памятью со стороны системы состоит в том, что загрузчик проверяет, поместится ли загружаемый модуль в пространство от PROG_START до SYS_START. Если объем памяти, который использует программа, не будет меняться во время ее исполнения, то на этом все управление и заканчивается.
Однако программа может использовать динамическое управление памятью, например функцию malloc(). В этом случае уже код malloc() должен следить за тем, чтобы не залезть в системные адреса. Как правило, динамическая память начинает размещаться с адреса PROG_END = PROG_START + PROG_SIZE. PROG_SIZE в данном случае обозначает полный размер программы, то есть размер ее кода, статических данных и области, выделенной под стек.
Функция malloc() поддерживает некоторую структуру данных, следящую за тем, какие блоки памяти из уже выделенных были освобождены. При каждом новом запросе она сначала ищет блок подходящего размера в своей структуре данных и, только когда этот поиск завершится неудачей, откусывает новый блок памяти у системы. Для этого используется переменная, которая в библиотеке языка C называется brklevel. Изначально эта переменная равна PROG_END, ее значение увеличивается при выделении новых блоков, но в некоторых случаях может и уменьшаться. Это происходит, когда программа освобождает блок, который заканчивается на текущем значении brklevel.
Потребности отдельных программ в ресурсе памяти в процессе обработки могут меняться, что заранее, до запуска программы, не может быть учтено. В связи с этим необходимо распределять память динамически непосредственно в ходе вычислительного процесса, т.е. осуществлять динамическое распределение памяти.
Динамическое распределение памяти (его еще иногда называют управлением кучей (pool или heap)) представляет собой нетривиальную проблему. Действительно, активное использование функций malloc/free может привести к тому, что вся доступная память будет разбита на блоки маленького размера, и попытка выделения большого блока завершится неудачей, даже если сумма длин маленьких блоков намного больше требуемой. Это явление называется фрагментацией памяти. Кроме того, большое количество блоков требует длительного поиска.