Adresiranje memorije

Adresiranje se vrši preko adresnog dekodera koji ima binarni ulaz povezan s adresnom sabirnicom. Broj adresnih izlaza dekodera u razmjeru je s brojem različitih mogućih binarnih kombinacija na adresnoj sabirnici, a o organizaciji memorije zavisi i kao će se iskoristiti podaci adresne sabirnice i kao su međusobno povezane elementarne memorijske ćelije.

Kako je radna memorija organizirana kao set segmenata veličine 64 kB treba voditi računa o adresi (broju) segmenta i adresi unutar segmenta pri upisu ili čitanju podataka. Dakle, ukupna adresa je fizička memorijska adresa. Adresiranje memorije može se obaviti na dva načina:

            1.) U realnom modu kad se preko adresne sabirnice
                direktno adresira memorija.

            2.) U zaštitnom modu kada se memorijski prostor
                proširuje simuliranjem realne memorije na drugom
                mediju npr. tvrdom disku (virtualna memorija).

Virtualno adresiranje moguće je obaviti samo u zaštitnom modu rada procesora. U realnom modu procesori rade u jednozadaćnom operativnom sustavu (kao DOS) i svaka greška u izvršenju programa može 'srušiti' sustav. Pogodnosti zaštitnog (protected) moda do izražaja dolaze u višezadaćnim operativnim sustavima kada svaka aplikacija radi u svom okruženju koristeći svoj dio virtualne memorije i njezin 'pad' ne uzrokuje rušenje sustava. Otuda i naziv 'zaštitni' pošto se ruši samo aplikacija a ne i sustav. DOS ne podržava zaštitni mod rada mikroprocesora, jer se zasniva na dizajnu za procesore do tipa 80286 koji zaštitni mod rada nisu imali. Ako dođe do pada aplikacije u načelu se ruši i sustav.

Mikroprocesor tipa 80286 i moćniji, obično označavani kao 'x86' porodica mikroprocesora, imaju ugrađen sklop za potporu virtualnom adresiranju memorije (MMU - Memory Management Unit), a mogućnosti adresiranja realne memorije ovise o kapacitetu adresnog registra (uobičajeno 16, 32 ili 64 bit-a), te su se za pojedine vrste mikroprocesora koristile oznake x86-16, x86-32 ili x86-64. Sve veću uporabu imaju mikroprocesori s 64 bit-nom arhitekturom i adresnim mogućnostima i oznaka 'x86-64' odnosi se na njih. Procesori s 32 bit-nom arhitekturom gotovo se više ne proizvode, osim za mobilne uređaje. Tako pojedine vrste mikroprocesora mogu adresirati prema tablici kako slijedi:

Tablica 3.5.14 Adresne mogućnosti mikroprocesora.

DOS u velikoj mjeri ograničava adresabilni prostor i ne može izravno pristupiti memoriji iznad 1 MB, tako da još i danas mnoštvo programa radi u realnom modu koristeći tehnološke prednosti novih procesora samo u pogledu brzine rada (brži takt) i protoka podataka (šira sabirnica). Operativni sustavi tipa Windows 9X, OS/2 ili Windows XP/Vista/7 koriste zaštitni mod rada mikroprocesora, a kompatibilnost prema ranijim sustavima i programskim rješenjima se emulira (glumi). Uz dovoljno procesorske snage i radne memorije moguće je u Windows XP sustav, pomoću namjenske programske potpore 'Virtual PC' instalirati neki drugi operativni sustav, koji za rad koristiti resurse postojećeg operativnog sustava i sklopovlja, a za trajnu memoriju koristi veliku datoteku koja se ponaša kao disk. Novom operativnom sustavu pristupa se preko Windows 'prozora'. Ovo je bolje rješenje od emulacije.

No, poslužitelji često imaju više od 4 GB radne memorije. Osim što su njihovi operativni sustavi vrlo često 64 bit-ni i mogu adresirati veći memorijski prostor, i arhitektura samih procesora je 64 bit-na (kao Intel Xeon ili AMD64) a dizajn matičnih ploča je posve drugačiji u odnosu na uredska i kućna računala. Naime povećan je kapacitete adresnih registara mikroprocesora. Posljedica navedenog je ogromna količina mogućeg adresiranog memorijskog prostora (16 EB) što povećava kompleksnost mikroprocesora, a nema zasad neke praktične koristi. Stoga se adresni prostor u praksi ograničava. Ograničavanje se vrši ili u dizajnu samog procesora uzimajući manje bit-a za potrebe adresiranja memorije, ograničenjima u mogućnostima upravljačkih uređaja ukomponiranih u sam procesor i matičnu ploču ili ograničenjima ukomponiranim u sam operativni sustav. Obično se u mikroprocesoru koristi 48 bit-a ili 56 bit-a za adresiranje memorije te su granice uz navedena ograničenja znatno smanjene, iako ih u praksi još više smanjuju mogućnosti jezgre operativnog sustava i memorijskih upravljačkih uređaja.

Do nedavno za uobičajena uredska računala više od 4 GB radne memorije navedeno bilo nepotrebno. No novija porodica 32 bit-nih, 'x86' kompatibilnih mikroprocesora procesora ima ugrađen mehanizam proširenja postojeće 32 bit-ne arhitekture, PAE - Physical Address Extensions, koji adresni prostor proširuje s 32 bit-a na 36 bit-a te omogućava dohvat do 64 GB radne memorije. Ovo proširenje nije od značaja za uobičajene 32 bit-ne operativne sustave i programsku potporu, ali je dobrodošlo za neku memorijski zahtjevniju programsku potporu. Operativne sustavi koji ovo mogu iskoristiti moraju imati ovu osobitost implementiranu u samoj jezgri operativnog sustava, kao što je na primjer AWE (Address Windowing Extensions) mehanizam u Windows operativnim sustavima koji omogućava 32 bit-nim aplikacijama rad s više radne memorije, odnosno namjenski napisana programska potpora koja će preko za to raspoloživog API-a (Application Programming Interface) znati iskoristiti dodatne mogućnosti. AWE je neovisan mehanizam od PAE, jedan pripada rješenju u operativnom sustavu a drugi rješenju u arhitekturi mikroprocesora.

Adresabilni prostor u realnom modu za XT (8080) računala podijeljen je na 16 segmenata po 64 kB prema tablici:

Tablica 3.5.15 Načelna organizacija DOS memorije PC računala.

Raspored rutina u ROM-u, njihov dohvat prema predviđenim adresama, te RAM i njegov adresni prostor nazivaju se MEMORIJSKA MAPA ili ukupni adresabilni memorijski prostor.

Glede kompatibilnosti novih modela sa starima navedena podjela adresa do 1 MB radne memorije vrijedi za sve tipove 80x86 porodice procesora kada rade u realnom modu.

Prema dogovoru RAM-u je dano na raspolaganje prvih 10 segmenata, ukupno 640 kB (donja, osnovna memorija), što je tada bilo prilično, ali danas zbog memorijski zahtjevne sofisticirane programske potpore nedostatno. Od 640 kB - 1 MB (gornja memorija - UMA) predviđeni su ROM sadržaji i RAM sadržaji kontrole u upravljanja monitorom. Pojedine dijelove UMA računalo ne koristi (UMB - blokovi) te ih memorijski programski upravljači (driver-i) mogu pridodati osnovnom RAM-u, kao i pojedine UMB koji se u ovisnosti o konfiguraciji ne koriste npr. mono video memorija pri uporabi EGA grafičke kartice. Memorijski prostor preko 1 MB pomoću posebnih programskih upravljača organizira se kao skup segmenata (stranica) po 16 kB (EMS ili LIM) kojima se sadržaj preslikava pri uporabi u memorijski prozor proširene memorije (64 kB od D0000-DFFFF), ili je linearno raspoređen (XMS).

Podosta programske potpore još uvijek zahtijeva što veću slobodnu realnu memoriju do 9FFFF, te se u tu svrhu posebnom programskom potporom razni driver-i za tipkovnicu (raspored tipki), osnova DOS-a i ostali učitavaju u slobodne UMB u sastavu gornje memorije. XMS memorijski upravljači ne koriste proširenu memoriju te se njihovom uporabom povećava veličina dostupne gornje memorije. Osim toga XMS upravljač blok veličine 64 kB (HMA) od 1024-1088 kB i stavlja na raspolaganje DOS-u. Ostatak XMS memorije, do 4 GB mogu si priuštiti programi koji 'znaju' iskoristiti XMS memorijski upravljač (kao Windows), a takvih je sve više. U zaštitnom modu rada mikroprocesora nema ovakvih ograničenja, ali se pri izvođenju DOS programa simulira (emulira) navedena memorijska slika.

U RAM memoriji obavljaju se slijedeće zadaće:

             1.) čitanje sadržaja
             2.) upis sadržaja
             3.) osvježavanje sadržaja

Za vrijeme procesa osvježavanja svi memorijski sklopovi u bankama istovremeno su dostupni što ga bitno vremenski skraćuje.

ROM je dio memorije koji se samo čita (Read Only Memory) mada je to u suštini EPROM s mogućnošću upisa nekih osnovnih podataka pomoću posebnog programa koji se može aktivirati pri uključivanju računala.

U ROM su smještene četiri osnovne grupe programa i to:

• START-UP / sadrži test pouzdanosti, inicijalizira priključene sklopove, izvršava rutinu koja omogućava čitanje diska i aktivira se pri uključivanju računala.
• ROM BIOS / upravlja perifernim jedinicama (monitor, tipkovnica, disk i druge), prevodi jednostavne komande i upravlja jednostavnijim zadaćama kao unos datuma i vremena. Po koncepciji BIOS predstavlja vezu - sučelje (interface) između komandnog procesora (command.com) i hardware-a računala.
• ROM BASIC / jezgro BASIC programskog jezika, sve je rjeđe sastavni dio ROM-a i umjesto njega su razni uslužni programi kao antivirus zaštita i drugo.
• ROM EXTENGEN / skup programa koji služe za potporu rada dodatnih uređaja (diskovi, grafičke kartice i slično).

RAM memorija, brze cache memorije i video memorija najskuplji su elementi računalnog sustava. Današnje sofisticirane aplikacije traže enormnu memorijsku potporu za rad u odnosu na DOS aplikacije. DOS aplikacije traže do 1 MB memorije; Windows 3.xx okruženje za umjeren rad treba 4 MB memorije, a za profesionalnije potrebe 8 MB i više; Windows 95 i OS/2 traži barem 16 MB memorije za profesionalan rad, a uz sve to u grafički orijentiranoj programskoj potpori treba imati brze sabirnice i grafičke kartice i velike diskovne resurse; minimalni memorijski resursi za Windows XP su 64 MB, mada za ugodan rad nije na odmet ugraditi 256 MB ili više, ovisno o programskoj potpori koja se koristi; Windows 2003 poslužitelj će zahtijevati još veće memorijske resurse u odnosu na Windows XP. Dakle, memorijski resursi računala ovise o zahtjevima operativnog sustava uvećanim za zahtjeve 'najgladnije' programske potpore koja se koristi (igre na primjer).

Najnovija generacija operativnih sustava uobičajeno koristi 1 GB radne memorije ili više, a gotovo svi novi 'x86' kompatibilni mikroprocesori dizajnirani su da s posebnim setom instrukcija (superset) mogu adresirati 64 bit-ni adresni prostor (x86-64 ili skraćeno x64), ali i izvršavati 16 bit-nu i 32 bit-nu programsku potporu bez narušavanja kompatibilnosti i performansi. U osnovi radi se o proširenju 32 bit-nih mogućnosti. U skladu sa sve većim potrebama za većim memorijskim resursima, operativni sustavi razvijaju se i u 64 bit-nim inačicama, koje potiskuju 32 bit-na rješenja, koja će s vremenom kao 16 bit-ni mikroprocesori i operativni sustavi otići u povijest.