Шина памяти. Часть3. Работа процессора с памятью

"Цикл памяти" в общем виде выглядит так. Процессор, желающий прочитать содержимое ячейки с адресом M устанавливает этот адрес на "шину адреса" и ставит на "шину управления" сигнал "чтение". ОЗУ , получив этот сигнал, выставляет содержимое своей ячейки с таким номером на "шину данных" и ставит на шину управления сигнал "готово". Получив этот сигнал процессор воспринимает состояние шины данных и убирает сигнал "чтение". Запись в ОЗУ происходит аналогично – процессор ставит на шину данных число, подлежащее записи, на шину адреса – номер записываемой ячейки, а на шину управления – сигнал "запись". ОЗУ , получив этот сигнал, воспринимает состояние шины данных и сохраняет его в ячейке с номером M . Здесь мы не будем касаться вопроса, как процессор "считывает байт", когда ширина шины данных фактически – несколько байтов. Не очень грубое для программиста допущение состоит в том, что из ОЗУ всегда считываются столько байтов, сколько составляют ширину шины, а из них процессором выбирается только один...

Естественно, что количество ячеек в одном устройстве памяти – ограничено. Физически это выражается в том, что не всякое возможное на шине адреса число приведёт к "срабатыванию ячейки" - возможно, что ячейки с таким адресом просто физически не существует. Обычно диапазон "вообще возможных адресов" значительно больше того диапазона адресов, на которое в состоянии откликнуться "физическое ОЗУ " - сравните, например 2 32 (4Гб) и 2 27 (128Мб). Причина этого – исключительно экономическая и техническая. Память и стоит каких-то денег и занимает какой-то объём. Возможность же процессора адресовать больше – в данном случае есть не что иное, как нереализованный резерв.

Описанную модель обращения с физической памятью легко "поднять выше" - на уровень программиста. Ведь "читать слово" и "писать слово" - разные команды процессора, это его дело какие числа на какие шины ставить, программист только снабжает процессор эти самым "адресом" прямо или косвенно указывая его в самой команде. А модель набора ячеек как раз и получается в виде непрерывной строки с диапазоном адресов от какого-то "младшего" до какого-то "старшего" - программисту-то какое дело ОЗУ1 хранит данную ячейку или ОЗУ2 ?

И в ранних процессорных системах именно так оно и было – адреса, которые программист указывал в командах были именно теми, которые процессор выставлял на шину адреса. И, хотя программист мог, например, в качестве адреса указать число 2 21 он этого не делал, ибо знал, что последняя "срабатывающая" ячейка располагается по адресу 2 20 -1. Попытка обратиться по адресу большему приносила либо "мусор", либо прерывание – это зависело от конструкции машины. Операционная система MS DOS – как раз и есть пример такой программы, работающей с процессором в т.н. "режиме реального адреса".

Шло время, процессоры становились мощнее, программы – требовали всё большего объёма памяти. Это – совершенно закономерный процесс, поскольку процессор, могущий перерабатывать большой объём информации нет смысла укомплектовывать малым объёмом памяти – чтобы много информации перерабатывать надо прежде всего уметь много информации и хранить. И - мощность процессоров росла гораздо быстрее, чем возможность технологии производить большие и дешёвые ОЗУ . "Узким местом" всей процессорной системы стала физическая память.

В этих обстоятельствах внимание архитекторов обратилось к неиспользуемому резерву – если процессор по ширине своей шины может адресовать 4Г разных ячеек, то нельзя ли каким-нибудь способом сделать так, что они "как бы есть", хотя на самом деле их и нет? Т.е. речь шла о механизме (архитектурном решении), который бы позволил эмулировать больший объём памяти, чем тот объём физических ОЗУ , которым на самом деле располагала машина. Понятно, что такую иллюзию нужно было создать только у самого "источника адресов" - у программы, обращающейся в память. Ведь если она сможет указать в команде (по другому задать адрес программа не может) число 2 30 (1Г) и получить осмысленное значение данных, то она по прежнему может считать, что у неё есть ОЗУ объёмом 1Г, какая ей разница, какое аппаратное устройство на этот адрес "срабатывает" и как именно?

Поэтому речь шла прежде всего об аппаратном решении – в описанной выше архитектуре памяти "что поставил - то и прочитал", а для создания требуемой иллюзии нужно было, чтобы адрес, который задаётся в команде процессора и адрес, который процессор ставит на шину адреса – как-то соотносились друг с другом, но были разными . И это преобразование одного в другое должно было быть однозначным, незаметным для программы и очень быстрым – ведь такое преобразование должно было применяться к каждому адресу, выставляемому процессором!