Адресное пространство

Введение

Модуль центрального процессора может выполнять информационный обмен с устройствами вне его границ лишь тогда, когда эти устройства обладают адресами. Эти устройства (объекты) могут именоваться адресуемыми или доступными программными средствами.

Адресом является код, который определяет номер ячейки памяти, регистра, триггера, входа логических элементов и тому подобное. В сегодняшних персональных компьютерах устройства (модули) взаимодействуют между собой при помощи магистрали, именуемой общей шиной. Общая шина состоит из следующих компонентов:

1. Шина адреса, которая предназначена для указания адресов устройств, выбранных для передачи данных.
2. Шина данных, которая служит собственно для трансляции информационных данных.
3. Шина управления, которая предназначена для трансляции специализированных сигналов.

Адресное пространство

Адресное пространство задаёт количество допустимых различных кодовых комбинаций, именуемых адресами, которые разрешается посылать на шину адреса активному устройству. Это, естественно, не значит, что каждому адресу ставится в соответствие доступный программно компонент. Адресное пространство задаёт только уровень возможностей системы, то есть наибольшее количество доступных программными методами компонентов, которые могут входить в её состав.

Старший двоичный разряд кодового представления адреса разделяет всё адресное пространство на пару равных частей, два старших разряда могут разделить его на четыре равновесные части. А шестнадцать адресных разрядов поделят адресное пространство, имеющее ёмкость 64 К ровно на 64 К элементов, то есть ячеек памяти.

Термин «адресное пространство» даёт возможность в наглядной форме отображать расположение в нём программно-доступных устройств. Когда процессор обращается к любой свободной ячейке адресного пространства, то он в ответ не получает подтверждения и может «зависнуть». Для того, чтобы избежать длительного зависания, в центральном процессоре предусмотрена процедура выработки искусственного ответа, при которой в случае длительной паузы осуществляется принудительное завершение информационного обмена по магистрали и процессор переходит к выполнению программы, реагирующей на зависание. При выполнении данной программы пользователю выдаётся соответствующее сообщение.

На некотором периоде развития вычислительных устройств возникла проблема нехватки адресного пространства, то есть 64 К стали слишком «тесными».Одной из причин этого стала разработка микросхем памяти увеличенной ёмкости.

Самыми перспективными методиками, позволяющими расширить адресное пространство, является следующие:

• Метод окна.
• Метод базовых регистров.
• Метод банков.

Метод окна даёт возможность несложного решения указанных проблем.

Суть метода изображена на рисунке ниже:

Рисунок 1. Метод окна. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Слева показана геометрическая интерпретация идеи методики, а справа её схемное воплощение.

Здесь:

• $G$ является адресуемыми элементами ЭВМ, которые располагаются в зоне $L_G$ адресного пространства $P$ электронной вычислительной машины.
• $H$ является адресным пространством основной памяти.
• $L_o$ является свободной зоной адресного пространства, где выделяется окно $W$.

Суть метода заключается в представлении на «большом» отрезке только участка «малого» отрезка. Данный участок должен соответствовать свободным адресам компьютера и именуется окном. Основная память имеет емкость, равную $V = 2^{d+g}$ ячеек. Если, к примеру, $d=8, g=12$, то $V = 2^{20}= 1M$ ячеек. Основная память может рассматриваться как набор $2^d$ страниц, при этом каждая страница обладает размером $2^g$ ячеек, который совпадает с размером окна. То есть, следует полагать, что $2^d$ является числом проекций окна, которые примыкают плотно друг к другу, заполняя собой весь размер оси основной памяти.

Так как окно выбирается в области неприменяемых адресов внутреннего адресного пространства компьютера, то вероятность конфликтов, связанных с параллельным выбором двух адресуемых компонентов (внутри и вне компьютера), полностью исключена.

Обобщением метода окна считается метод базовых регистров. Идея метода состоит в выделении в адресном пространстве не одного, а целого набора окон. При любом выполнении обращения к основной памяти применяется только одно окно. Проекции окон на «ось» основной памяти могут располагаться в различных местах данной оси, а также могут иметь совпадения. Расположение окон в адресном пространстве формируется в строго определённом порядке при помощи дешифратора. Углы наклона лучей определяются базовыми регистрами. Принципы назначения адресов основной памяти такие же, как и в методе окон.

Метод базовых регистров даёт возможность переноса в адресное пространство компьютера параллельно несколько разных страниц основной памяти, к примеру, пару страниц из области информационных данных и одну страницу из программной области. Схемное воплощение метода базовых регистров близко к методу окна.

Метод банков, аналогично двум предыдущим, также достаточно широко распространён. Термин «банк», в данном случае, подразумевает отдельные блоки памяти, которые могут содержать как оперативные, так и постоянные составляющие. Кроме стандартных магистральных входов и выходов, такие блоки памяти обладают дополнительным входом, который управляет разрешением работы. При работе данной системы компьютерный процессор при посредстве программно-доступных регистров выполняет открытие требуемого банка и оперирует с находящейся в нём информацией. Другие банки логическими методами отключаются от магистрали. В этом методе основным является то обстоятельство, что компьютер может вообще не иметь собственной памяти.