Что такое адресное пространство кратко

Обновлено: 30.06.2024

За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.

И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.

Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.

Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.

Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск

Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.

Архитектура х86 поддерживает стек.

Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:

push operand
помещает операнд в стек

pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд

Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.

Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.

Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:

mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.

mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.

Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.

Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:

Логический адрес --> Линейный (виртуальный)--> Физический

Все линейное адресное пространство разбито на сегменты. Адресное пространство каждого процесса имеет по крайней мере три сегмента:
Сегмент кода. (содержит команды из нашей программы, которые будут исполнятся.)
Сегмент данных. (Содержит данные, то бишь переменные)
Сегмент стека, про который я писал выше.

Линейный адрес вычисляется по формуле:

линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение

Сегмент кода

Базовый адрес сегмента кода берется из регистра CS. Значение смещения для сегмента кода берется из регистра EIP, в котором хранится адрес инструкции, после исполнения которой, значение EIP увеличивается на размер этой команды. Если команда занимает 4 байта, то значение EIP увеличивается на 4 байта и будет указывать уже на следующую инструкцию. Все это делается автоматически без участия программиста.
Сегментов кода может быть несколько в нашей памяти. В нашем случае он один.

Сегмент данных

Данные загружаются в регистры DS, ES, FS, GS
Это значит что сегментов данных может быть до 4х. На нашей картинке он один.
Смещение внутри сегмента данных задается как операнд команды. По дефолту используется сегмент на который указывает регистр DS. Для того чтобы войти в другой сегмент надо это непосредственно указать в команде префикса замены сегмента.

Сегмент стека

Используемый сегмент стека задается значением регистра SS.
Смещение внутри этого сегмента представлено регистром ESP, который указывает на вершину стека, как вы помните.
Сегменты в памяти могут друг друга перекрывать, мало того базовый адрес всех сегментов может совпадать например в нуле. Такой вырожденный случай называется линейным представлением памяти. В современных системах, память как правило так организована.

Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес.

Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке:
Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:

линейный адрес = базовый адрес + смещение

[база; база+предел)

В зависимости от 55 G-бита(гранулярити), предел может измеряться в байтах при нулевом значении бита и тогда максимальный предел составит 1 мб, или в значении 1, предел измеряется страницами, каждая из которых равна 4кб. и максимальный размер такого сегмента будет 4Гб.
Для сегмента стека предел будет в интервале:

(база+предел; вершина]

44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.

Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.

На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.

Предыдущая статья цикла " Микроконтроллеры для начитающих. Часть 4. Очень кратко о микропрограммах " была факультативной. Однако, теперь мы еще на шаг приблизимся к практическому использованию микроконтроллеров. Пусть и упрощенно, схематически, но мы теперь представляем, как устроен процессор микроконтроллера. Пришло время подключать его к остальным узлам управляющей микроЭВМ микроконтроллера.

При слове архитектура большинство людей вспоминает о дворцах и зданиях, строительстве, возникает ассоциация со словом зодчий. Это правильно, но термин архитектура применим не только к строительству. Фактически, архитектура обозначает основные принципы использованные при проектировании и создании чего-либо.

Применительно к ЭВМ, под архитектурой обычно называют совокупность основных принципов, идей, подходов, методов, которые использовались при ее проектировании. Чаще всего входит в понятие архитектура ЭВМ входят:

Организация памяти. Это количество различных типов памяти, их организация, способы подключения к процессору, особенности работы памяти.
Система команд. Обратите внимание, я не сказал набор команд, я сказал система команд. В наборе команд ЭВМ(точнее, процессора) некоторые команды могут отсутствовать, могут включаться дополнительные команды, но подход к формированию системы команд остается неизменным. Набор команд это подмножество системы команд. Сюда входит адресность команд (количество операндов), режимы адресации операндов, тонкости выполнения (количество циклов, возможно, переменное), типы выполняемых операций, возможность расширения.
Подсистема ввода-вывода. Способы подключения и адресации внешних (периферийных). Сюда же относится и наличие (и организация) канала прямого доступа к памяти ЭВМ.
Возможность построения многопроцессорных комплексов. Одновременная работа нескольких процессоров в составе ЭВМ далеко не так проста, как может показаться. Причем и с точки зрения программиста.
Механические параметры. Да, как ни странным это кажется. Наверное все знают платы расширения устанавливаемые в настольные ПК или в гнезда PCMCIA. Были и определенные требования к размерам ТЭЗ (типовой элемент замены), так назывались платы устанавливаемые в стойки больших ЭВМ (ЕС, СМ). Механические параметры далеко не всегда входят в понятие архитектуры, но иногда такое встречается.

Подробно архитектуру рассматривать мы не будем, для наших целей в этом нет смысла. Но некоторые аспекты для нас очень важны. И начнем мы с архитектуры памяти, точнее, с того, как память подключается к процессору (или наоборот).

"Чистые архитектуры" идеального мира

Наиболее известны две архитектуры подключения памяти к процессору. Первая, знакомая всем по IBM PC совместимым ЭВМ (точнее, микропроцессорам 80x86), архитектура фон Неймана . Вторая, менее известная, но более важная для нас, как станет видно в дальнейшем, Гарвардская архитектура .

Как видно, основное различие здесь в использовании памяти.

Архитектура фон Неймана

Хранит и программу, и данные, в единой памяти. Это выглядит привлекательно, так как позволяет эффективно использовать память небольшого объема. У нас небольшая программа, которая обрабатывает большие объемы данных? Нет никаких проблем, главное, что бы суммарный размер программы и данных мог поместиться в память. Большая программа требующая мало данных? Тоже все просто.

Кроме того, мы можем заполнить область памяти данными и потом передать ей управление. Или использовать коды команд как данные, возможно, изменяя их.

Архитектура фон Неймана вполне естественна для универсальных ЭВМ, ведь в этом случае неизвестно, что именно потребуется программе и какое будет соотношение объема кода программы и данных. Мы можем легко загрузить новую программу и данные в память и начать выполнение.

Однако, и минусов хватает. Самый большой плюс, лежащий в основе архитектуры, является и самым большим минусом. Представьте, что по какой то причине программа записала часть данных в область команд. Это приведет к неработоспособности программы, если управление будет передано этой измененной области. Или к остановке ЭВМ (когда то давно это называлось АВОСТ - аварийный останов).

Второй, менее очевидный минус, невозможность одновременного считывания очередной команды и операнда, или считывания команды и записи результата. Доступ к памяти может быть только последовательным.

Гарвардская архитектура

Используется разная память для программ и данных. Здесь у нас нет опасности исказить команды программы ошибкой с записью данных. И мы можем считывать очередную команду и записывать результат или считывать операнд одновременно, так как у нас разные блоки памяти. Минусы исчезли? Не совсем.

Теперь мы не можем передать управление области данных или использовать команды как данные. То есть, мы не можем изменять саму программу. Но это иногда все таки требуется. Теперь мы должны по отдельности загружать в области памяти коды команд и данные перед началом выполнения программы. Для универсальных ЭВМ эта архитектура менее удобна, чем архитектура фон Неймана. Зато для микроконтроллеров она подходит хорошо. Ведь программа в микроконтроллер обычно загружается если не однократно, то надолго и изменять ее не требуется. А отдельная область данных позволяет повысить надежность работы и уменьшить объем ОЗУ (оперативная память зачастую дороже). Теперь стало немного понятнее, почему я сказал, что Гарвардская архитектура для более важна, мы же говорим как раз о микроконтроллерах.

При этом довольно неприятным минусом, пусть и не критичным, является снижение гибкости в использовании памяти. Представьте, что нам не хватает, совсем чуть чуть, памяти данных, но есть свободная память команд. Мы никак не можем решить проблему, так как память программ под хранение данных использовать нельзя. И наоборот.

Суровый реальный мир и компромиссы

Реальные ЭВМ не используют в чистом виде ни одну из описанных выше архитектур. Хотя существовали и ЭВМ полностью им соответствующие. Архитектура реальных ЭВМ это некий компромисс. Но прежде чем двигаться дальше нам нужно кратко остановиться на понятии адресного пространства.

Адресное пространство

Под адресным пространством мы будем понимать логически единую совокупность адресуемых ячеек памяти . Звучит туманно? Не волнуйтесь, сейчас все станет понятно. Давайте начнем разбираться с более знакомой всем универсальной ЭВМ (в виде ПК, например).

Из каких областей памяти обычно состоит программа? Во первых, собственно код (команды) программы. Во вторых, область данных. Причем можно выделить область инициализированных данных, которые получают определенные значения перед началом выполнения программы, и не инициализированных данных, значения которых не определены до момента явного присвоения. В третьих, область стека, где хранятся адреса возвратов из подпрограмм и временные данные. В четвертых, динамически выделяемая область памяти.

Совокупность этих областей памяти программы, или задачи, называется адресным пространством задачи. Выглядит это, примерно, так

Для процессоров 80х86 области памяти обычно называют сегментами. В рамках своего адресного пространства программа может как угодно распоряжаться памятью. Но выход за пределы адресного пространства запрещен (обычно, операционной системой). Видно, что адресное пространство задачи занимает часть, в общем случае, все имеющейся памяти ЭВМ.

Совокупность сегментов, показанных на иллюстрации выше, логически единая , так все эти области памяти относятся к одной и той же программе. Причем не требуется, в общем случае, такого смежного размещения областей памяти программы в физической памяти ЭВМ. Может быть, например, такое расположение

Пример отображения адресного пространства задачи на физическую память ЭВМ. Серым цветом отмечены не используемые области памяти. Иллюстрация моя

Такое отображение выполняется аппаратно специальными блоками управления памятью, которые могут входить как в состав процессора, так и в состав памяти. При этом адреса памяти используемые в программе называют логическими, а адреса физической памяти ЭВМ физическими. Я не буду углубляться в тему преобразования адресов и управления памятью, это очень обширная и интересная тема, но нам достаточно такого упрощенного представления.

Команды и данные не обязательно занимают все доступное адресное пространство программы. Если реальная потребность программы меньше, чем ей выделено памяти, то часть адресов остается неиспользованной. Доступное адресное пространство задачи может быть меньше, чем ее потребности в памяти. В этом случае приходится использовать методы организации виртуальной памяти, если это возможно. Виртуальную память я так же не буду рассматривать.

Адресные пространства могут полностью изолированными, могут частично перекрываться, могут полностью совпадать, одно из пространств может быть подмножеством другого. С точки зрения математики можно рассматривать адресные пространства как некий вид множеств (множества ячеек памяти) с почти всеми применимыми к множествам операциями.

В рамках приведенного ранее примера с адресным пространством задачи можно показать пример частичного перекрытия

Но какое это отношение имеет к микроконтроллерам? Самое прямое! И сейчас это станет видно.

Адресные пространства ЭВМ

Да, именно так. Микроконтроллер включает в себя управляющую ЭВМ, как мы уже видели ранее. Какие области памяти могут быть в ЭВМ? Вспомним наши "чистые архитектуры". Область команд программы и область данных . Но это не все, есть еще область стека , которая может оказаться не такой простой, и область ввода-вывода .

Почему ввод-вывод относится к памяти? Все просто. Мы должны как то адресовать устройства ввода-вывода, управлять ими, передавать им данные и получать ответы. Внешние устройства обычно представлены набором управляющих регистров, каждый из которых имеет определенный адрес. Вероятно, некоторым из вас знакомы команды IN и OUT , которые иногда используются для доступа к таким регистрам. Адреса в командах IN и OUT как раз и относятся к области ввода-вывода.

Еще я назову область специальных регистров процессора , о которой вспоминают не часто. Специальные регистры процессора могут иметь свои адреса, а могут и не иметь.

Таким образом, у нас есть пять областей памяти, каждая из которых может иметь собственные адреса, свой размер, и является логически единой(по смыслу). Другими словами, у нас есть пять адресных пространств.

В общем случае мы не можем сказать, что именно хранится в ячейке с некоторым адресом, если не указано, к какому адресному пространству она относится. Например, ячейка с адресом 10 может хранить команду, если она в адресном пространстве команд (программ), или являться, например, регистром управления внешнего устройства, если она в адресном пространстве ввода-вывода, или быть просто некоторой переменной, если она в адресном пространстве данных.

Если еще раз вспомнить "чистые архитектуры", то станет видно, что в архитектуре фон Неймана адресные пространства программ и данных полностью совпадают. А в Гарвардской архитектуре они полностью изолированы.

А вот со стеком все немного интереснее. Стек хранит адреса возвратов и временные данные. С архитектурой фон Неймана все понятно, там адресные пространства совпадают. А как быть с Гарвардской? Мы не можем поместить стек в память программ, так он может содержать и данные. А в микроконтроллерах память программ еще и обычно представлена ПЗУ. Мы не можем поместить стек в память данных, так это позволит изменять адреса возвратов, которые относятся к памяти программ.

Мы можем решить проблемы поместив стек в специальную, изолированную, область памяти. Или сделать два различных стека, один для адресов возвратов, второй для временных данных. Теперь понятно, почему я выделил стек как отдельную область памяти, отдельное адресное пространство?

Но вернемся к нашей теме. Даже в Гарвардской архитектуре иногда требуется доступ к памяти программ, как к данным. Это можно сделать несколькими способами, я кратко расскажу о двух.

Проще всего добавить в ЭВМ (или процессор) специальный блок, через который и будет осуществляться доступ к памяти программ, как к данным. С большой долей вероятности, этот блок позволит достаточно легко читать память программ, а вот запись будет или сложнее, или не будет доступна совсем. С точки зрения чистоты архитектуры это решение ничего не нарушает, адресные пространства по прежнему изолированы, а дополнительный блок является обычным внешним устройством. При этом доступ к памяти программ будет медленнее, чем к памяти данных. И потребует больших усилий при программировании.

А вот второй способ гораздо хитрее и, на первый взгляд, нарушает все различия между архитектурами. Мы можем построить виртуальное адресное пространство, которое и будет использовать процессор, и которое будет являться объединением адресных пространств данных и программ. Вот так

Пример объединения адресных пространств программ и данных в единое виртуальное адресное пространство. Иллюстрация моя

Обратите внимание, здесь нет принципиальных схемотехнических отличий от первого варианта, где мы работали с памятью программ как с внешним устройством. У нас лишь добавился дешифратор, который маскирует особенности памяти программ с точки зрения программиста. Доступ от этого не становится быстрее, но вот использовать его в программе проще. Самое виртуальное адресное пространство теперь выглядит примерно так

Кто то может сказать, а чем это вообще отличается от архитектуры фон Неймана? А действительно, чем? Особенно с учетом того, что я сказал, что адресное пространство не обязательно должно отображаться на непрерывные области физической памяти.

Все просто, на самом деле. В архитектуре фон Неймана у нас адресные пространства программ и данных полностью совпадают. Фактически, там можно говорить о едином адресном пространстве программ/данных. В данном же случае, у нас адресные пространства программ и данных по прежнему изолированны, а виртуальное пространство строится как их объединение, но без нарушения изоляции.

Таким образом, для Гарвардской архитектуры мы можем строить виртуальные адресные пространства по разному комбинируя отдельные адресные пространства не нарушая их изолированности. А можно и включать одно пространство в другое, без изоляции. Например, мы можем включить адресное пространство регистров процессора в адресное пространство данных. Так сделано, например, в микроконтроллерах PIC Microchip и AVR Atmel. При этом туда же входит и адресное пространство ввода-вывода (для Atmel это не совсем так, но разница нам сейчас не принципиальна). Подробнее обо всем этом поговорим в следующих статьях.

Остается кратко упомянуть, как можно обеспечить изоляцию адресных пространств программ и данных для архитектуры фон Неймана. Тут тоже используются отдельные блоки управления памятью. Поскольку эта темя далеко от микроконтроллеров особенно углубляться в нее не буду. Скажу лишь, что обычно используется запрет передачи управления на области памяти, которые должны считаться памятью данных. При этом можно и читать, и записывать эти области, а вот передавать управление туда нельзя. И, разумеется, никто не отменял включения защиты от записи в определенные области памяти.

Архитектура и адресные пространства микроконтроллеров

Ну вот мы и добрались до микроконтроллеров. Путь был длинным и не простым, зато сейчас будет гораздо легче.

При этом доступ к памяти программ как к данным имеют далеко не все микроконтроллеры. В некоторых случаях такой доступ организован как к внешнему устройству, в некоторых моделях через виртуальное адресное пространство. При этом, через виртуальное адресное пространство не всегда можно производить запись в память программ, даже используя специальные методы доступа.

В большинстве микроконтроллеров адресное пространство регистров процессора объединено (включено) в адресное пространство данных. Так же, во многих контроллерах с отдельным адресным пространством ввода-вывода оно частично, или полностью, может включаться в пространство данных. Более подробно я это буду рассматривать когда доберемся до организации памяти (не архитектуры).

Некоторые микроконтроллеры позволяют организовывать виртуальное адресное пространство. Как это выглядит для микроконтроллеров PIC Microchip можно посмотреть в статье, ссылку на которую я давал выше. А вот для STM8 я приведу упрощенный вид виртуального адресного пространства

Упрощенный вид виртуального адресного пространства микроконтроллеров STM8. Серым цветом показаны не используемые участки адресного пространства. Иллюстрация моя

STM8 я выбрал из-за возможности показать, как может выглядеть полное (виртуальное) адресное пространство микроконтроллера в самом общем случае, который однако реализован на практике.

Практически все микроконтроллеры позволяют адресовать памяти больше, чем ее физически реализовано в микросхеме. В некоторых случаях, например, для MCS-51, имеется возможность подключать к микроконтроллеру внешнюю память программ и/или данных. Это усложняет применение микроконтроллера, так как появляется мультиплексирование, о чем я кратко расскажу отдельно. Зато появляется возможность снять некоторые ограничения по доступному объему памяти.

Сразу скажу, что вряд ли многие из вас (если вообще кто либо) столкнется с микроконтроллерами семейства MCS-51, да еще и с внешней памятью. Поэтому MCS-51 я буду уделять мало внимания, а про мультиплексирование упомяну только в данной статье, да еще при рассмотрении, что такое шины и какие они бывают.

Для нас, во всяком случае, на данном этапе, не имеет значения, как именно физически реализована память и внешняя она, или внутренняя. Особенности страничной, банковой, и прочих видов памяти я буду рассматривать отдельно, когда для этого придет время.

Заключение

На сегодня, пожалуй, достаточно. Мы впервые затронули вопросы имеющие практическое значение для применения микроконтроллеров. И впервые я коснулся некоторых особенностей отдельных семейств микроконтроллеров.

Все изложенное в статье имеет самое непосредственное отношение к разработке программ для микроконтроллеров. Этого еще не достаточно, что бы начать разработку программ, но обойтись без понимания архитектуры памяти ЭВМ невозможно.

Возможно, что то осталось для вас не совсем понятным, несколько туманным, возможно даже не нужным. Не совсем понятное станет проясняться в дальнейших статьях. А не нужного в статьях нет. И это тоже станет понятно в дальнейшем. Есть не обязательное, но такие статьи я сразу помечаю как факультативные.

В следующей статье мы продолжим знакомиться с архитектурой памяти, точнее, с тонкостями ее реализации. До новых встреч.

адресное пространство: область доступных адресов для данного компьютера (операционки) .
если операционка 64 битная, процессор 64битный, (это уже раельности) и платформа спроектирована по максимуму, то адресовать такая система может 2 в степени 64 ячеек памяти.
число это просто умопомрачительно большое. Вот пример.
32 битная адресация позволяет адресовать 4 гигабайта оперативки 2 в степени 30+2 2 в степени 30 = 1 гигабайт, умножить на 2^2=4 итого 4 гигабайта.
т. е. 2^64 = (2^60)*2^4 = 16*1024 Петабайт . (не знаю, как называется ).

а оперативная память - это количество ячеек оперативной памяти, которые установлены в данном компьютере ( в пределах этого адресного пространства) .

Всегда объем оперативной памяти ограничен потолком -адресным пространством системы. Часто- даже меньше (из-за ограничений платформы).

своими совами: оперативная память - это набор микросхем, а адресное пространство - часть оперативной памяти.

А́дресное пространство (англ. address space) — совокупность всех допустимых адресов каких-либо объектов вычислительной системы — ячеек памяти, секторов диска, узлов сети и т. п., которые могут быть использованы для доступа к этим объектам при определенном режиме работы (состоянии системы).

В общем случае адрес может представляться произвольным идентификатором, но чаще используется числовое представление. Из пространств с числовым представлением адреса наиболее известно пространство оперативной памяти.

По смыслу адресное пространство представляет собой математическое конечномерное векторное пространство, но в общем случае никаких операций с адресами не определено. В линейном диапазоне адресов (например, при плоской модели памяти — во всем диапазоне, при сегментной адресации памяти — в пределах сегмента) определены операции сложения адреса с константой и вычитания адресов.

Связанные понятия

Сегментная адресация памяти — схема логической адресации памяти компьютера в архитектуре x86. Линейный адрес конкретной ячейки памяти, который в некоторых режимах работы процессора будет совпадать с физическим адресом, делится на две части: сегмент и смещение. Сегментом называется условно выделенная область адресного пространства определённого размера, а смещением — адрес ячейки памяти относительно начала сегмента. Базой сегмента называется линейный адрес (адрес относительно всего объёма памяти.

Защита памяти (англ. Memory protection) — это способ управления правами доступа к отдельным регионам памяти. Используется большинством многозадачных операционных систем. Основной целью защиты памяти является запрет доступа процессу к той памяти, которая не выделена для этого процесса. Такие запреты повышают надёжность работы как программ, так и операционных систем, так как ошибка в одной программе не может повлиять непосредственно на память других приложений. Следует различать общий принцип защиты.

Счётчик кома́нд (также PC = program counter, IP = instruction pointer, IAR = instruction address register, СЧАК = счётчик адресуемых команд) — регистр процессора, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей.

Буфер ассоциативной трансляции (англ. Translation lookaside buffer, TLB) — это специализированный кэш центрального процессора, используемый для ускорения трансляции адреса виртуальной памяти в адрес физической памяти.

Монтирование файловой системы — системный процесс, подготавливающий раздел диска к использованию операционной системой.

Упоминания в литературе

– объект является сущностью в адресном пространстве вычислительной системы, появляющаяся при создании экземпляра класса (например, после запуска результатов компиляции исходного кода на выполнение).

При этом нумерация логических блоков начинается с нуля, то есть логический блок с номером 0 в адресации LBA соответствует первому сектору в адресном пространстве CHS (то есть сектору с адресом (0, 0, 1)).

В Windows Vista реализована поддержка протокола IP версии 6, расширяющая возможности адресации к компьютеру в Интернете, поскольку данный протокол предусматривает значительно большее адресное пространство, чем распространенный в настоящее время протокол IP версии 4.

Связанные понятия (продолжение)

Адрес — символ или группа символов, которые идентифицируют регистр, отдельные части памяти или некоторые другие источники данных, либо место назначения информации.

Разделяемая память (англ. Shared memory) является самым быстрым средством обмена данными между процессами.

Переключение контекста (англ. context switch) — в многозадачных ОС и средах - процесс прекращения выполнения процессором одной задачи (процесса, потока, нити) с сохранением всей необходимой информации и состояния, необходимых для последующего продолжения с прерванного места, и восстановления и загрузки состояния задачи, к выполнению которой переходит процессор.

Защищённый режим (режим защищённой виртуальной адресации) — режим работы x86-совместимых процессоров. Частично был реализован уже в процессоре 80286, но там существенно отличался способ работы с памятью, так как процессоры ещё были 16-битными и не была реализована страничная организация памяти. Первая 32-битная реализация защищённого режима — процессор Intel 80386. Применяется в совместимых процессорах других производителей. Данный режим используется в современных многозадачных операционных системах.

Код операции, операционный код, опкод — часть машинного языка, называемая инструкцией и определяющая операцию, которая должна быть выполнена.

Блок управления памятью или устройство управления памятью (англ. memory management unit, MMU) — компонент аппаратного обеспечения компьютера, отвечающий за управление доступом к памяти, запрашиваемым центральным процессором.

Механизм копирования при записи (англ. Copy-On-Write, COW) используется для оптимизации многих процессов, происходящих в операционной системе, таких как, например, работа с оперативной памятью или файлами на диске (пример — ext3cow).

Дамп памяти (англ. memory dump; в Unix — core dump) — содержимое рабочей памяти одного процесса, ядра или всей операционной системы. Также может включать дополнительную информацию о состоянии программы или системы, например значения регистров процессора и содержимое стека. Многие операционные системы позволяют сохранять дамп памяти для отладки программы. Как правило, дамп памяти процесса сохраняется автоматически, когда процесс завершается из-за критической ошибки (например, из-за ошибки сегментации.

Файловый дескриптор — это неотрицательное целое число. Когда создается новый поток ввода-вывода, ядро возвращает процессу, создавшему поток ввода-вывода, его файловый дескриптор.

Модуль ядра, загружаемый модуль ядра (англ. loadable kernel module, LKM) — объект, содержащий код, который расширяет функциональность запущенного или т. н. базового ядра ОС. Большинство текущих систем, основанных на Unix, поддерживают загружаемые модули ядра, хотя они могут называться по-разному (например, kernel loadable module в FreeBSD и kernel extension в Mac OS X).

Ошибка сегментации (англ. Segmentation fault, сокр. segfault, жарг. сегфолт) — ошибка программного обеспечения, возникающая при попытке обращения к недоступным для записи участкам памяти либо при попытке изменить память запрещённым способом. В системах на основе процессоров Motorola 68000 эти ошибки, как правило, известны как ошибки адреса или шины.

Точка монтирования (англ. mount point) — это каталог или файл, с помощью которого обеспечивается доступ к новой файловой системе, каталогу или файлу.

Загрузчик операционной системы — системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера (процедуры POST) и начальной загрузки.

Систе́мный вы́зов (англ. system call) в программировании и вычислительной технике — обращение прикладной программы к ядру операционной системы для выполнения какой-либо операции.

Виртуа́льная па́мять (англ. virtual memory) — метод управления памятью компьютера, позволяющий выполнять программы, требующие больше оперативной памяти, чем имеется в компьютере, путём автоматического перемещения частей программы между основной памятью и вторичным хранилищем (например, жёстким диском). Для выполняющейся программы данный метод полностью прозрачен и не требует дополнительных усилий со стороны программиста, однако реализация этого метода требует как аппаратной поддержки, так и поддержки.

Основная область памяти (Основная память, англ. Conventional memory) занимает первые 640 Кбайт оперативной памяти в IBM PC-совместимых компьютерах. В эту область загружается таблица векторов прерываний (занимает 1 Кбайт), некоторые данные из BIOS (например, буфер клавиатуры), различные 16-битные программы DOS. Для них 640 Кбайт являются барьером.

Уровень абстракции — один из способов сокрытия деталей реализации определенного набора функциональных возможностей. Применяется для управления сложностью проектируемой системы при декомпозиции, когда система представляется в виде иерархии уровней абстракции.

Исполняемый файл (англ. executable file, также выполняемый, реже исполнимый, выполнимый) — файл, содержащий программу в виде, в котором она может быть исполнена компьютером. Перед исполнением программа загружается в память, и выполняются некоторые подготовительные операции (настройка окружения, загрузка библиотек).

Hardware Abstraction Layer (HAL, Слой аппаратных абстракций) — слой абстрагирования, реализованный в программном обеспечении, находящийся между физическим уровнем аппаратного обеспечения и программным обеспечением, запускаемом на этом компьютере. HAL предназначен для скрытия различий в аппаратном обеспечении от основной части ядра операционной системы, таким образом, чтобы большая часть кода, работающая в режиме ядра, не нуждалась в изменении при её запуске на системах с различным аппаратным обеспечением.

По умолча́нию — термин, используемый для обозначения значений параметров какой-либо программы, предустановленных разработчиком. Пользователь может изменить эти установки явным образом, однако, если он не сделал этого, то в качестве значений используются параметры, заданные разработчиком.

Дизассе́мблер (от англ. disassembler ) — транслятор, преобразующий машинный код, объектный файл или библиотечные модули в текст программы на языке ассемблера.

Страничная память — способ организации виртуальной памяти, при котором единицей отображения виртуальных адресов на физические является регион постоянного размера (т. н. страница). Типичный размер страницы — 4096 байт, для некоторых архитектур — до 128 КБ.

Блочное устройство (block device) — вид файла устройств в UNIX/Linux-системах, обеспечивающий интерфейс к устройству, реальному или виртуальному, в виде файла в файловой системе.

В программировании именованный канал или именованный конвейер (англ. named pipe) — один из методов межпроцессного взаимодействия, расширение понятия конвейера в Unix и подобных ОС. Именованный канал позволяет различным процессам обмениваться данными, даже если программы, выполняющиеся в этих процессах, изначально не были написаны для взаимодействия с другими программами. Это понятие также существует и в Microsoft Windows, хотя там его семантика существенно отличается. Традиционный канал — «безымянен.

В информатике бу́фер (англ. buffer), мн. ч. бу́феры — это область памяти, используемая для временного хранения данных при вводе или выводе. Обмен данными (ввод и вывод) может происходить как с внешними устройствами, так и с процессами в пределах компьютера. Буферы могут быть реализованы в аппаратном или программном обеспечении, но подавляющее большинство буферов реализуется в программном обеспечении. Буферы используются, когда существует разница между скоростью получения данных и скоростью их обработки.

В информатике, блокировка — механизм синхронизации, позволяющий обеспечить исключительный доступ к разделяемому ресурсу между несколькими потоками. Блокировки — это один из способов обеспечить политику управления распараллеливанием.

Кросс-компиля́тор (англ. cross compiler) — компилятор, производящий исполняемый код для платформы, отличной от той, на которой исполняется сам кросс-компилятор. Такой инструмент бывает полезен, когда нужно получить код для платформы, экземпляров которой нет в наличии, или в случаях когда компиляция на целевой платформе невозможна или нецелесообразна (например, это касается мобильных систем или микроконтроллеров с минимальным объёмом памяти).

Объе́ктный мо́дуль (также — объектный файл, англ. object file) — файл с промежуточным представлением отдельного модуля программы, полученный в результате обработки исходного кода компилятором. Объектный файл содержит в себе особым образом подготовленный код (часто называемый двоичным или бинарным), который может быть объединён с другими объектными файлами при помощи редактора связей (компоновщика) для получения готового исполнимого модуля либо библиотеки.

Переменная среды́ (англ. environment variable) — текстовая переменная операционной системы, хранящая какую-либо информацию — например, данные о настройках системы.

Кома́нда — это указание компьютерной программе действовать как некий интерпретатор для решения задачи. В более общем случае, команда — это указание некоему интерфейсу командной строки, такому как shell.

Адресация — осуществление ссылки (обращение) к устройству или элементу данных по его адресу; установление соответствия между множеством однотипных объектов и множеством их адресов; метод идентификации местоположения объекта.

Вытесняющая многозадачность (приоритетная многозадачность, англ. preemptive multitasking, дословно упреждающая многозадачность) — это вид многозадачности, при которой операционная система принимает решение о переключении между задачами по истечении некоего кванта времени.

Конфигурация программного обеспечения — совокупность настроек программы, задаваемая пользователем, а также процесс изменения этих настроек в соответствии с нуждами пользователя.

Виртуальная файловая система (англ. virtual file system — VFS) или виртуальный коммутатор файловой системы (англ. virtual filesystem switch) — уровень абстракции поверх конкретной реализации файловой системы. Целью VFS является обеспечение единообразного доступа клиентских приложений к различным типам файловых систем. VFS может быть использована для доступа к локальным устройствам и файлам (fat32, ext4, ntfs), сетевым устройствам и файлам на них (nfs), а также к устройствам, не предназначенным для.

Атомарная (атом от греч. atomos — неделимое) операция — операция, которая либо выполняется целиком, либо не выполняется вовсе; операция, которая не может быть частично выполнена и частично не выполнена.

Двоичный (бинарный) файл — в широком смысле: последовательность произвольных байтов. Название связано с тем, что байты состоят из бит, то есть двоичных (англ. binary) цифр.

Снимок файловой системы, или снапшот, или снепшот (от англ. snapshot — мгновенный снимок), — моментальный снимок, копия файлов и каталогов файловой системы на определённый момент времени.

Читайте также: