Дополнительные описания указателей для IBM PC

Рассмотрим некоторые особенности режимов работы процессоров, используемых в компьютерах IBM PC. При этом следует учитывать, что процессоры фирмы Intel с типом ниже 80386 обеспечивают 16-ти битный режим работы, а процессоры 80386 и выше - как 16-ти, так и 32-битный режимы.

Типичный режим работы процессора - 16-битный, который обеспечивается собственно системой MS DOS, или DOS-сессией эмулируемой 32-битной системой Windows-95, Windows NT или OS/2.

В этом режиме процессор может использовать и двухбайтовые и четырехбайтовые адреса.

При использовании четырехбайтовых адресов процессор в 16-ти битном режиме может адресовать область памяти не более, чем в 1 мегабайт. При этом, адрес состоит из двух частей: так называемой сегментной части, которая находится в старших 2 байтах адреса, и смещения, содержащегося в младших 2 байтах адреса.

Физический адрес памяти компьютера вычисляется процессором по следующей формуле:

Физический_адрес = seg * 16 + offs, где seg - двухбайтовый сегментный адрес, offs - двухбайтовое смещение.

Одно двухбайтовое смещение может адресовать не более, чем 64 килобайта памяти (2¹⁶), то есть так называемый сегмент. Добавление сегментной части к смещению по вышеприведенной формуле и обеспечивает адресацию 1M памяти. Однако, при такой трактовке адреса различные адреса могут указывать на один и тот же байт памяти. Рассмотрим три адреса 246:330, 256:170 и 266:10. И сегментная часть адреса, и смещение в этих адресах записаны в десятичной системе счисления, через двоеточие. Рассчитаем физические адреса для каждого из этих значений:

246 * 16 + 330 = 4266

256 * 16 + 170 = 4266

266 * 16 + 10 = 4266

Из расчета видно, что разные адреса определяют один и тот же физический адрес памяти. Это и объясняет, почему в некоторых случаях сравнение указателей может происходить некорректно. Для устранения этого противоречия вводится понятие нормализованного адреса, то есть такого адреса, у которого значение смещения не превышает 16. Последний из трех адресов примера - нормализованный.

Если для всех данных и кода программы зафиксировать сегментную часть адреса, то для адресации достаточно 2-х байтового адреса, состоящего из одного смещения. При этом, размер адресуемого пространства не может превысить 64 килобайта.

Для обозначения соответствующих адресов, используются специальные ключевые слова: near - обозначает 2-х байтовый (близкий) адрес, far - 4-х байтовый (дальний) адрес.

Все действия над адресами типа far выполняются так, что их сегментная часть не меняется. Это позволяет несколько ускорить операции с указателями, но накладывает ограничение в 64K на массив, адресуемый указателем. Если массив должен быть больше 64K, то следует использовать указатели типа huge, которые автоматически поддерживают нормализацию адреса и, поэтому, могут адресовать массив больший 64K.

Примеры описания подобных указателей:

int near *pi; /* 2-х байтовый указатель */

char far *name; /* 4-х байтовый без нормализации */

double huge *pA; /* 4-х байтовый с нормализацией */

Использовать вышеприведенные описатели указателей можно только при полной уверенности в своих действия. Значительно более просто использовать различные типы адресов, меняя модели памяти. Рассмотрим 16-разрядные модели памяти IBM PC.

В крошечной (Tiny) модели памяти сегментные части всех адресов указывают на один и тот же сегмент, размером не более 64K, в котором располагается и код программы, и данные, и стек. Все адреса двухбайтовые (near).

В маленькой (Small) модели памяти сегментная часть адреса кода указывает на один сегмент, размером не более 64K, сегментная часть адресов данных указывает на другой сегмент, размером не более 64K, в котором располагаются данные и стек. Все адреса двухбайтовые (near).

В средней (Medium) модели памяти адреса кода 4-х байтовые (far), то есть размер кода может достигать 1M. Сегментная часть адресов данных указывает на сегмент, размером не более 64K, в котором располагаются данные и стек. Адреса данных двухбайтовые (near).

В компактной (Compact) модели памяти адреса кода 2-х байтовые (near), то есть размер кода не может превышать 64K. Адреса данных 4-х байтовые (far), то есть размер данных может достигать 1M. Однако, максимальный размер статических данных и стека не превышает 64K. По умолчанию стек устанавливается значительно меньше, например 4K.

В большой (Large) модели памяти все адреса 4-х байтовые (far), то есть и размер кода, и размер данных может достигать 1M. Однако, как и в предыдущей модели, максимальный размер статических данных и стека не превышает 64K. По умолчанию стек устанавливается размером 4K.

В громадной (Huge) модели памяти все организовано так же как и в большой, но размер статических данных может достигать 1M.

Следует обратить внимание на то, что ни в одной модели памяти (даже в huge) нет указателей на данные типа huge. Поэтому работа с массивами большими 64K требует специального описания указателей.

В 32-битных режимах работы 386 процессоров far-адрес состоит из 2-х байтового селектора сегмента и 4-х байтового смещения в сегменте. При этом размер смещения позволяет адресовать 4-х гигабайтное адресное пространство (2³²).

Для 32-х разрядных режимов могут существовать все вышеперечисленные модели памяти. Однако на практике чаще всего используется так называемая плоская (flat), безсегментная модель памяти. На самом деле она соответствует модели Small с учетом того, что размер сегмента может достигать 4 гигабайт, а смещение в сегменте имеет размер 4 байта. Можно считать, что во flat модели сегментов нет вообще, размер адреса равен 4-м байтам и соответствует физическому адресу (виртуальному) памяти компьютера.