Адресное пространство памяти и ввода - вывода

Размещение байтов и слов в памяти. Память логически организована как одномерный массив байтов, каждый из которых имеет 20-битовый физический адрес в диапазоне 00000 — FFFFF. (Для записи адресов здесь и далее используется 16-ричная система счисления.) Любые два смежных байта в памяти могут рассматриваться как 16-битовое слово. Младший байт слова имеет меньший адрес, а старший — больший. Такое размещение байтов слова используется также в ВМ80 и в большинстве современных микроЭВМ. Адресом слова счита­ется адрес его младшего байта. Таким образом, 20-битовый адрес памяти может рассматриваться и как адрес байта, и как адрес слова.

Полная информация, необходимая для определения физического адреса, содержится в адресном объекте «сегмент: смещение», который называется указателем адреса и содержит адрес сегмента и внутрисегментное смещение. Для запоминания указателя адреса требуется два слова памяти, причем слово с меньшим адресом всегда содержит смещение, а слово с большим адресом — базовый адрес сегмента (рис. 3.3.5). Каждое слово хранится обычным образом, т. е. по принципу «младший байт — по мень­шему адресу»

Команды, байты и слова данных можно свободно размещать по любому адресу, что поз­воляет экономить память благодаря ее плотной упаковке. Однако для экономии времени выпол­нения программы целесообразно размещать слова данных в памяти по четным адресам, так как МП передает такие слова за один цикл шины. Слово с четным адресом называется выровненным на границе слов. Слова с нечетными адресами (не выровненные) также допустимы, но для их передачи требуются два цикла шины, что снижает производительность МП. (Каждый цикл имеет четыре обязательных такта Т.) Отметим, что шинный интерфейс инициирует необходимое для выборки слова число обращений к памяти автоматически, так что двукратное обращение к памяти не требует специального указания 8 программе. Особенно важно иметь выровненные слова для операций со стеком, так как в них участвуют только слова. Следовательно, указатель стека SP необходимо всегда инициализировать на четный адрес.

Команды всегда выбираются словами по четным адресам, за исключением первой выборки после передачи управления по нечетному адресу, когда выбирается один байт. Поток команд разделяется на байты при заполнении очереди команд внутри МП, так что выравнивание команд не влияет на производи­тельность и поэтому не используется.

Сегментация памяти и вычисление адресов. Пространство памяти емкостью 1 Мбайт представляется как набор сегментов, определяемых программным путем. Сегмент состоит из смежных ячеек памяти и является независимой и отдельно адресуемой единицей памяти емкостью 64 Кбайт. Каждому сегменту программой назначается начальный (базовый) адрес, являющийся адресом первого байта сегмента в пространстве памяти. Начальные адреса четырех сегментов, выбранных в качестве текущих, записываются в сегментные регистры CS, DS, SS и ES, тем самым фиксируются текущие сегменты кода (программы), данных, стека и дополнительных данных. Для обращения к командам и данным, находящимся в других сегментах, необходимо изменять содержимое сегментных регистров, что позволяет использовать все пространство памяти емкостью 1 Мбайт. Сегментные регистры инициализируются в начале программы путем засылки в них соответствующих констант. Частный случай загрузки всех сегментных регистров нулями приводит к организации памяти, характерной для ВМ80, т. е. фактически к отказу от сегментации памяти.

В сегментном регистре хранится 16 старших битов 20-битового начального адреса сегмента. Четыре младших бита адреса принимаются равными нулю и дописываются справа к содержимому сегментного регистра при вычислении физических адресов ячеек памяти. Поэтому начальные адреса сегментов всегда кратны 16. Поскольку других ограничений на размещение сегментов в памяти нет, сегменты могут быть соседними (смежными), не перекрывающимися, частично или полностью перекрывающимися. Физическая ячейка памяти может принадлежать одному или нескольким сегментам.

Физический адрес ячейки памяти представляет 20-битовое число в диапа­зоне 0 — FFFFF, которое однозначно определяет положение каждого байта в пространстве памяти емкостью 1 Мбайт. В начале каждого цикла шины, связанного с обращением к памяти, физический адрес выдается на шину адреса и сопровождается сигналом ALE. Так как МП ВМ86 является 16-битовым, то все операции при вычислении физического адреса производятся с 16-битовыми адресными объектами.

Логический адрес ячейки памяти состоит из двух 16-битовых без знаковых значений: начального адреса сегмента, который называется также просто базой или сегментом, и внутрисегментного смещения, которое определяет расстояние от начала сегмента до этой ячейки. Для вычисления физического адреса база сегмента сдвигается влево на 4 бит и суммируется со смещением, как показано на рис. 1.6, где также приведены возможные источники компонентов логического адреса (ЕА — эффективный адрес, вычисляемый в соответствии с заданным способом адресации). Пример: DCBA: 4321

Логический Сегмент Смещение

адрес (CS,SS,DS,ES) (IP,SP,SI,DI,EA)

19 0

+

Физический

адрес

Рис 3.3.5 Вычисление физического адреса

Перенос из старшего бита, который может возникнуть при суммировании, игнорируется. Это приводит к так называемой кольцевой организации памяти, при которой за ячейкой с максимальным адресом FFFFF следует ячейка с нулевым адресом. Аналогичную кольцевую организацию имеет и каждый сегмент.

Источники логического адреса для различных типов обращения к памяти приведены в табл. 1.14. Команды всегда выбираются из текущего сегмента кода в соответствии с логическим адресом CS: IP. Стековые команды всегда обращаются к текущему сегменту стека по адресу SS:SP. Если при вычислении адреса ЕА используется регистр ВР, то обращение производится также к стековому сегменту. В последнем случае принцип стека «первый пришел — последний вышел» игнорируется и ячейки стекового сегмента рассматриваются как ОЗУ с произвольной выборкой, что обеспечивает большую гибкость в использо­вании этих ячеек.

Операнды, как правило, размещаются в текущем сегменте данных, и обра­щение к ним организуется по адресу DS:EA. Однако программист.может заставить МП обратиться к переменной, находящейся в другом текущем сегменте. Считается, что цепочка-источник находится в текущем сегменте данных, а ее смешение задается регистром SI. Цепочка-получатель обязательно располагается в текущем дополнительном сегменте, а смешение берется из регистра D1. Команды обработки цепочек автоматически модифицируют содержимое индек­сных регистров SI и DI по мере продвижения по цепочке в направлении, со­ответствующем флагу DF.