BIOS – назначение, функции, особенности аппаратной и программной реализации

 

 

Логическая структура  памяти PC обусловлена особенностями  системы адресации процессоров  семейства х86. Процессоры 8086/88, применявшиеся  в первых моделях PC, имели доступное  адресное пространство 1 Мбайт (20 бит  шины адреса). Эти процессоры использовали сегментную модель памяти, унаследованную и следующими моделями в реальном режиме. Согласно этой модели исполнительный (линейный) адрес вычислялся по формуле 4.1. Таким образом, обеспечивался  доступ к адресному пространству Addr = 00000 – FFFFFh при помощи пары 16-битных регистров. Заметим, что при Seg = FFFFh и Offset = =FFFFh данная формула дает адрес 10FFEFh, но ввиду 20-битного ограничения на шину адреса эта комбинация в физической памяти указывает на 0FFEFh. Таким образом, адресное пространство как бы сворачивается в кольцо с небольшим «нахлестом».

Начиная с процессора 80286 шина адреса была расширена до 24 бит, а впоследствии (386DX, 486 и выше) до 32 и даже 36 (P6).

P6 – компьютеры, основанные  на процессоре Pentium Pro и выше.

В реальном режиме процессора, используемом в DOS, применяется та же сегментная модель памяти и формально  доступен лишь 1 Мбайт памяти, что  является недостаточным для большинства  современных приложений. Однако выяснилось, что процессоры 80286 в реальном режиме эмулируют 8086 с ошибкой: та самая  единица в бите А20, которая отбрасывалась  в процессорах 8086/88, теперь попадает на шину адреса, и в результате максимально  доступный линейный адрес в реальном режиме достигает 10FFEFh. За эту ошибку с радостью ухватились разработчики PC, поскольку дополнительные (64К  – 16) байты оперативной памяти, адресуемой в реальном режиме, оказались подарком, позволяющим освободить дефицитное пространство оперативной памяти для  прикладных программ. В эту область (100000h – 10FFEFh), названную«высокой памятью» – High Memory Area (HMA), стали помещать часть операционной системы и небольшие резидентные программы.

Однако для обеспечения  полной совместимости с процессором 8086/88 в схему PC ввели вентиль линии  А20 шины адреса – GateA20, который либо пропускает сигнал от процессора, либо принудительно обнуляет линию А20 системной шины адреса. Более старшие биты такой «заботы» не требуют, поскольку переполнение при суммировании 16-битных компонентов адреса по данной схеме до них не распространяется.

Управление этим вентилем подключили к свободному программно-управляемому выходному биту 1 контроллера клавиатуры 8042, ставшего стандартным элементом  архитектуры PC начиная с AT. Предполагалось, что этим вентилем часто пользоваться не придется. Однако жизнь внесла свои поправки, и оказалось, что переключение вентиля в многозадачных ОС, часто  переключающих процессор между  защищенным режимом, реальным режимом  и режимом V86, контроллером клавиатуры выполняется слишком медленно. Так  появились альтернативные методы быстрого переключения вентиля, специфичные  для различных реализаций системных  плат (например, через порт 92h). Кроме  того, иногда использовали и аппаратную логику быстрого декодирования команды  на переключение бита, поступающую  к контроллеру клавиатуры. Для  определения способа переключения в утилиту CMOS Setup ввели соответствующие параметры, позволяющие выбрать между стандартным, но медленным способом и менее стандартизованным, но быстрым, в зависимости от используемого ПО.

32-разрядные процессоры  позволяют организовать режим,  иногда называемый «нереальным»  или «большим реальным», в котором  инструкции выполняются как в  реальном, но доступны все 4 Гбайт  памяти. Этот режим часто используется  в игровых программах, целиком  захватывающих все ресурсы компьютера, не заботясь о «правилах хорошего  тона» по отношению к другим  исполняемым программам.

Основную часть адресного  пространства занимает оперативная  память. Объем установленной памяти определяется тестом POST при начальном  включении (перезагрузке) компьютера, начиная с младших адресов. Натолкнувшись  на отсутствие памяти (ошибку), тест останавливается  на достигнутом и сообщает системе объем реально работающей памяти.

Распределение памяти PC, непосредственно  адресуемой процессором, приведено  на рис. 1 и представляется следующим  образом.

00000h-9FFFFh – Conventional (Base) Memory, 640 Кбайт – стандартная (базовая) память, доступная DOS и программам реального режима. В некоторых системах с видеоадаптером MDA верхняя граница сдвигается к AFFFFh (704 Кбайт). Иногда верхние 128 Кбайт стандартной памяти (область 80000h-9FFFFh) называют Extended Conventional Memory.

A0000h-FFFFFh – Upper Memory Area (UMA), 384 Кбайт – верхняя память, зарезервированная для системных нужд. В ней размещаются области буферной памяти адаптеров (например, видеопамять) и постоянная память (BIOS с расширениями). Эта область, обычно используемая не в полном объеме, ставит непреодолимый архитектурный барьер на пути непрерывной (нефрагментированной) памяти, о которой мечтают программисты.

 

 
Рис. 1 - Распределение памяти ПК

 

Память выше 100000h – Extended Memory – дополнительная (расширенная) память, непосредственно доступная только в защищенном (и в «большом реальном») режиме для компьютеров с процессорами 286 и выше. В ней выделяется область 100000h-10FFEFh – высокаяпамять, НМА, – единственная область расширенной памяти, доступная 286+ в реальном режиме при открытом вентиле Gate A20.

Область памяти выше первого  мегабайта в различных источниках называется по-разному. Ее современное  английское название – Extended Memory – пересекается с названием одной из спецификаций ее использования – Extended Memory Specification. Но название другой спецификации использования – Expanded Memory Specification – в прямом переводе на русский язык неотличимо от перевода предыдущего термина (и Extended и Expanded переводятся как «расширенный»). Будем придерживаться терминологии, укрепившейся в литературе, и область всей физической памяти, расположенной в адресном пространстве выше 1 Мбайта, будем называть дополнительной памятью. Ее объем у современных компьютеров указывается строкой Extended Memory xxxxx Kbyte в таблице, выводимой после прохождения теста POST, и в меню стандартной конфигурации CMOS Setup.

Вышеприведенное разделение памяти актуально только для приложений и операционных систем реального  режима типа MS-DOS. Для ОС защищенного режима (в том числе Windows 9x/NT/2000) доступна вся оперативная память, причем без каких-либо ухищрений вроде EMS и XMS, описанных ниже. Однако область UMA, сохраняемая ради совместимости, остается барьером на пути к единой однородной памяти.

Для компьютеров класса АТ-286 с 24-битной шиной адреса верхняя  граница оперативной памяти –  FDFFFFh (максимальный размер 15,9 Мбайт). Область FE0000h-FFFFFFh содержит ПЗУ BIOS (ROM BIOS Area), обращение к этой области эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам 0E0000h-0FFFFFh. Для 386+ процессоров и 32-битной шины адреса теоретическая верхняя граница – 4 Гбайт, а для Р6 – 64 Гбайт (36-битная шина адреса). В компьютерах с 32-разрядной шиной адреса образ BIOS дополнительно проецируется в адреса FFFE0000h-FFFFFFFFh, хотя для процессоров Р6 это и необязательно. Однако иногда используется и проекция BIOS в область FE0000h-FFFFFFh, что не позволяет задействовать более 16 Мбайт ОЗУ, поскольку система воспринимает только найденную непрерывную область оперативной памяти. Если 32-разрядный компьютер имеет отображение области BIOS под границей 16 Мбайт, это отображение обычно можно запретить установкой соответствующего параметра CMOS Setup. Иногда для использования специфических адаптеров ISA, имеющих буфер с адресами в 16-м мегабайте памяти, предусматривают параметр Memory Hole At 15-16M. Его установка также не позволяет использовать оперативную память свыше 16 Мбайт.

Реально современные системные  платы позволяют установить до 512-2048 Мбайт ОЗУ, для мощных серверных  платформ и это не предел. Обращение  по адресам, превышающим границу  установленной оперативной памяти (или максимально возможного объема), транслируется на шину PCI, которая имеет 32-битную адресацию.

Компьютеры, использующие режим  системного управления SMM (System Management Mode), имеющийся у большинства процессоров последних поколений, имеют еще одно адресное пространство памяти – SMRAM. Это адресное пространство «параллельно» пространству обычной памяти и при работе доступно процессору только в режиме обработки SMI. Память SMRAM может представлять собой часть физической оперативной памяти (DRAM), а может быть реализована и специальной микросхемой энергонезависимой памяти. Ее размер может варьироваться в диапазоне от 32 Кбайт (минимальные потребности SMM) до 4 Гбайт. SMRAM располагается, начиная с адреса SMIBASE (по умолчанию 30000h), и распределяется относительно адреса SMIBASE следующим образом.

SMI# (System Management Interrupt). В режим SMM процессор может войти только по сигналу на входе SMI#. Сигнал SMI# для процессора является немаскируемым прерыванием с наивысшим приоритетом.

FE00h-FFFFh (3FE00h-3FFFFh) – область сохранения контекста (распределяется, начиная со старших адресов по направлению к младшим). По прерыванию SMI сохраняются почти все регистры процессора, но сохранение регистров FPU не производится.

8000h (38000h) – точка входа в обработчик (SMI Handler).

0-7FFFh (30000h-37FFFh) – свободная область.

Память SMRAM должна быть схемотехнически защищена от доступа прикладных программ. Процессор генерирует специальный выходной сигнал SMIACT# во время обработки SMI, который и должен являться «ключом» доступа к этой памяти. Если SMRAM не является энергонезависимой, то системная логика должна обеспечить возможность ее инициализации (записи программного кода обработчика) процессором из обычного режима работы до разрешения появления сигнала SMI#.

Стандартная память – Conventional

Стандартная память является самой дефицитной в PC, когда речь идет о работе в среде операционных систем типа MS-DOS. На ее небольшой объем (типовое значение 640 Кбайт) претендуют и BIOS, и ОС реального режима, а остатки отдаются прикладному ПО. Стандартная память распределяется следующим образом:

00000h-003FFh – Interrupt Vectors – векторы прерываний (256 двойных слов);

00400h-004FFh – BIOS Data Area – область переменных BIOS;

00500h-00xxxh – DOSArea – область DOS;

00xxxh-9FFFFh – User RAM – память, предоставляемая пользователю (до 638 Кбайт); при использовании PS/2 Mouse область 9FC00h-9FFFFh используется как расширение BIOS Data Area, и размер User RAM уменьшается.

Верхняя память – UMA

Верхняя память имеет области  различного назначения, которые могут  быть заполнены буферной памятью  адаптеров, постоянной памятью или  оставаться незаполненными. Раньше эти  «дыры» не использовали из-за сложности  «фигурного выпиливания» адресуемого  пространства. С появлением механизма  страничной переадресации (у процессоров 386 и выше) их стали по возможности  заполнять «островками» оперативной  памяти, названными блоками верхней  памяти UMB(Upper Memory Block). Эти области доступны DOS для размещения резидентных программ и драйверов через драйвер EMM386, который отображает в них доступную дополнительную память.

Стандартное распределение  верхней памяти выглядит следующим  образом:

A0000h-BFFFFh – Video RAM, 128 Кбайт – видеопамять (обычно используется не полностью).

C0000h-DFFFFh – Adapter ROM, Adapter RAM,128 Кбайт – резерв для адаптеров, использующих собственные модули ROM BIOS или (и) специальное ОЗУ, разделяемое с системной шиной.

E0000h-EFFFFh – свободная область, 64 Кбайт, иногда занятая под System BIOS.

F0000h-FFFFFh – System BIOS, 64 Кбайт – системная BIOS.

FD000h-FDFFFh – ESCD (Extended System Configuration Data) – область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств Plug and Play. Эта область имеется только при наличии PnP BIOS, ее положение и размер жестко не заданы.

В области UMA практически всегда присутствует графический адаптер. В зависимости от модели он занимает следующие области:

MDA RAM – B 0000h-B0FFFh;

CGA RAM – B8000h-BBFFFh;

EGA ROM – C0000h-C3FFFh/C7FFFh;

VGA ROM – C0000h-C7FFFh;

EGA, VGA RAM – A0000h-BFFFFh, в зависимости от видеорежима используются следующие области:

Graphics – A0000h-AFFFFh;

Color Text – B8000h-BFFFFh;

Mono Text – B0000h-B7FFFh.

Также распространенным потребителем UMA являются расширения ROM BIOS, расположенные на платах дисковых контроллеров и микросхемы удаленной загрузки (Boot ROM) на платах адаптеров ЛВС. Обычно они занимают область C8000h – CBFFFh/C9FFFh/C8FFFh (для дисковых контроллеров), но могут и перемещаться при конфигурировании адаптеров.

Размер области, занимаемой системной ROM BIOS, колеблется от 8 Кбайт у PC/XT до 128 Кбайт, однако разумное значение – 64 Кбайт. Большая область использовалась «на радостях» от появления микросхем ROM и флэш-памяти объемом 1 Мбит (128Кх8), но при этом размер доступной UMA сократился. Тогда стали микросхемы того же (и большего) объема отображать только на область FOOOOh-FFFFFh (64 Кбайт), а иногда и меньшую. Это оказалось возможным, поскольку не все содержимое микросхемы ROM BIOS должно быть доступно одновременно. Таким способом удалось примирить интересы пользователей UMB с необходимостью расширения объема BIOS, связанной с усложнением технических средств.

Видеопамять графического адаптера является особой областью памяти, к  которой во время непрерывного процесса регенерации экрана интенсивно обращаются и центральный процессор, и графический  акселератор (если таковой имеется). Видеопамять традиционно является физически выделенной памятью сравнительно (по сравнению с ОЗУ) небольшого объема, и для нее разными способами  обеспечивают максимальную производительность – увеличивают разрядность до 128 бит, повышают частоту, применяют  специализированные, в том числе  и двухпортовые, микросхемы памяти. Это, конечно же, приводит к удорожанию компьютера. Для современных графических акселераторов требуется доступ к большому объему памяти, причем с высокой производительностью. Вместо предоставления локальной памяти адаптера была предложена архитектура унифицированной памяти UMA (Unified Memory Architecture). Здесь для видеопамяти (и других нужд акселератора) выделяется область в общем пространстве единой физической оперативной памяти. За этот способ снижения стоимости приходится расплачиваться снижением производительности как видеосистемы, так и основной памяти. Архитектура UMA применяется в чипсетах системной платы с интегрированной графикой для недорогих компьютеров. При этом может предоставляться возможность установки и дополнительного специализированного модуля видеопамяти, позволяя за дополнительные деньги отказаться от UMA. Если с графического адаптера AGP убрать локальную память, этот высокопроизводительный адаптер вырождается в систему с UMA.