内存结构

这几天在论坛里面转悠，像深入学习一下dos，可是遇到些问题，在论坛里面找了很久，也没有个全面详细的帖子，我就转贴一次吧！
经常用dos的人都知道，配置 config.sys 里面经常出现的 emm386.exe,himem.sys。还有什么 扩充内存，扩展内存，上位内存，高端内存区，什么保护模式，真实模式的，把你弄得头痛了吧？没关系只要你细心看完此帖你必定会有收获。

　　物理存储器是指实际存在的具体存储器芯片。如主板上装插的内存条和装载有系统的BIOS的ROM芯片，显示卡上的显示RAM芯片和装载显示BIOS的ROM芯片，以及各种适配卡上的RAM芯片和ROM芯片都是物理存储器。
　　存储地址空间是指对存储器编码（编码地址）的范围。所谓编码就是对每一个物理存储单元（一个字节）分配一个号码，通常叫作“编址”。分配一个号码给一个存储单元的目的是为了便于找到它，完成数据的读写，这就是所谓的“寻址”（所以，有人也把地址空间称为寻址空间）。
　　地址空间的大小和物理存储器的大小并不一定相等。举个例子来说明这个问题：某层楼共有17个房间，其编号为801～817。这17个房间是物理的，而其地址空间采用了三位编码，其范围是800～899共100个地址，可见地址空间是大于实际房间数量的。
　　对于386以上档次的微机，其地址总线为32位，因此地址空间可达232即4GB。但实际上我们所配置的物理存储器通常只有1MB、2MB、4MB、8MB、16MB、32MB等，远小于地址空间所允许的范围。从下图中我们可以看到地址空间与物理存储器之间的关系。
　　
　　好了，现在可以解释为什么会产生诸如：常规内存、保留内存、上位内存、高端内存、扩充内存和扩展内存等不同内存类型。
　　各种内存概念
　　这里需要明确的是，我们讨论的不同内存的概念是建立在寻址空间上的。
　　IBM推出的第一台PC机采用的CPU是8088芯片，它只有20根地址线，也就是说，它的地址空间是1MB。
　　PC机的设计师将1MB中的低端640KB用作RAM，供DOS及应用程序使用，高端的384KB则保留给ROM、视频适配卡等系统使用。从此，这个界限便被确定了下来并且沿用至今。低端的640KB就被称为常规内存即PC机的基本RAM区，请看图1。保留内存中的低128KB是显示缓冲区，高64KB是系统BIOS（基本输入／输出系统）空间，其余192KB空间留用。从对应的物理存储器来看，基本内存区只使用了512KB芯片，占用0000至80000这512KB地址。显示内存区虽有128KB空间，但对单色显示器（MDA卡）只需4KB就足够了，因此只安装4KB的物理存储器芯片，占用了B0000至B10000这4KB的空间，如果使用彩色显示器（CGA卡）需要安装16KB的物理存储器，占用B8000至BC000这16KB的空间，可见实际使用的地址范围都小于允许使用的地址空间。
　　在当时（1980年末至1981年初）这么“大”容量的内存对PC机使用者来说似乎已经足够了，但是随着程序的不断增大，图象和声音的不断丰富，以及能访问更大内存空间的新型CPU相继出现，最初的PC机和MS－DOS设计的局限性变得越来越明显。
　　1.什么是扩充内存？
　　EMS工作原理
　　到1984年，即286被普遍接受不久，人们越来越认识到640KB的限制已成为大型程序的障碍，这时，Intel和Lotus，这两家硬、软件的杰出代表，联手制定了一个由硬件和软件相结合的方案，此方法使所有PC机存取640KB以上RAM成为可能。而Microsoft刚推出Windows不久，对内存空间的要求也很高，因此它也及时加入了该行列。
　　在1985年初，Lotus、Intel和Microsoft三家共同定义了LIM－EMS，即扩充内存规范，通常称EMS为扩充内存。当时，EMS需要一个安装在I／O槽口的内存扩充卡和一个称为EMS的扩充内存管理程序方可使用。但是I／O插槽的地址线只有24位（ISA总线），这对于386以上档次的32位机是不能适应的。所以，现在已很少使用内存扩充卡。现在微机中的扩充内存通常是用软件如DOS中的EMM386把扩展内存模拟或扩充内存来使用。所以，扩充内存和扩展内存的区别并不在于其物理存储器的位置，而在于使用什么方法来读写它。下面将作进一步介绍。
　　前面已经说过扩充存储器也可以由扩展存储器模拟转换而成。EMS的原理和XMS不同，它采用了页帧方式。页帧是在1MB空间中指定一块64KB空间（通常在保留内存区内，但其物理存储器来自扩展存储器），分为4页，每页16KB。EMS存储器也按16KB分页，每次可交换4页内容，以此方式可访问全部EMS存储器。图2给出了EMS的工作原理。符合EMS的驱动程序很多，常用的有EMM386.EXE、QEMM、TurboEMS、386MAX等。DOS和Windows中都提供了EMM386.EXE。
　　2.什么是扩展内存？
　　我们知道，286有24位地址线，它可寻址16MB的地址空间，而386有32位地址线，它可寻址高达4GB的地址空间，为了区别起见，我们把1MB以上的地址空间称为扩展内存XMS（eXtend memory）。
　　在386以上档次的微机中，有两种存储器工作方式，一种称为实地址方式或实方式，另一种称为保护方式。在实方式下，物理地址仍使用20位，所以最大寻址空间为1MB，以便与8086兼容。保护方式采用32位物理地址，寻址范围可达4GB。DOS系统在实方式下工作，它管理的内存空间仍为1MB，因此它不能直接使用扩展存储器。为此，Lotus、Intel、AST及Microsoft公司建立了MS－DOS下扩展内存的使用标准，即扩展内存规范XMS。我们常在Config.sys文件中看到的Himem.sys就是管理扩展内存的驱动程序。
　　扩展内存管理规范的出现迟于扩充内存管理规范。
　　3.什么是高端内存区？
　　在实方式下，内存单元的地址可记为：
　　　　　　　段地址：段内偏移
　　通常用十六进制写为XXXX：XXXX。实际的物理地址由段地址左移4位再和段内偏移相加而成。若地址各位均为1时，即为FFFF：FFFF。其实际物理地址为：FFF0＋FFFF=10FFEF，约为1088KB（少16字节），这已超过1MB范围进入扩展内存了。这个进入扩展内存的区域约为64KB，是1MB以上空间的第一个64KB。我们把它称为高端内存区HMA（High Memory Area）。HMA的物理存储器是由扩展存储器取得的。因此要使用HMA，必须要有物理的扩展存储器存在。此外HMA的建立和使用还需要XMS驱动程序HIMEM.SYS的支持，因此只有装入了HIMEM.SYS之后才能使用HMA。
　　4.什么是上位内存？
　　为了解释上位内存的概念，我们还得回过头看看保留内存区。保留内存区是指640KB～1024KB（共384KB）区域。这部分区域在PC诞生之初就明确是保留给系统使用的，用户程序无法插足。但这部分空间并没有充分使用，因此大家都想对剩余的部分打主意，分一块地址空间（注意：是地址空间，而不是物理存储器）来使用。于是就得到了又一块内存区域UMB。
　　UMB（Upper Memory Blocks）称为上位内存或上位内存块。它是由挤占保留内存中剩余未用的空间而产生的，它的物理存储器仍然取自物理的扩展存储器，它的管理驱动程序是EMS驱动程序。
　　5.什么是SHADOW（影子）内存？
　　对于细心的读者，可能还会发现一个问题：即是对于装有1MB或1MB以上物理存储器的机器，其640KB～1024KB这部分物理存储器如何使用的问题。由于这部分地址空间已分配为系统使用，所以不能再重复使用。为了利用这部分物理存储器，在某些386系统中，提供了一个重定位功能，即把这部分物理存储器的地址重定位为1024KB～1408KB。这样，这部分物理存储器就变成了扩展存储器，当然可以使用了。但这种重定位功能在当今高档机器中不再使用，而把这部分物理存储器保留作为Shadow存储器。Shadow存储器可以占据的地址空间与对应的ROM是相同的。Shadow由RAM组成，其速度大大高于ROM。当把ROM中的内容（各种BIOS程序）装入相同地址的Shadow RAM中，就可以从RAM中访问BIOS，而不必再访问ROM。这样将大大提高系统性能。因此在设置CMOS参数时，应将相应的Shadow区设为允许使用（Enabled）。
　　总 结
　　经过上面分析，内存储器的划分可归纳如下：
　　●基本内存　占据0～640KB地址空间。
　　●保留内存　占据640KB～1024KB地址空间。分配给显示缓冲存储器、各适配卡上的ROM和系统ROM BIOS，剩余空间可作上位内存UMB。UMB的物理存储器取自物理扩展存储器。此范围的物理RAM可作为Shadow RAM使用。
　　●上位内存（UMB）　利用保留内存中未分配使用的地址空间建立，其物理存储器由物理扩展存储器取得。UMB由EMS管理，其大小可由EMS驱动程序设定。
　　●高端内存（HMA）　扩展内存中的第一个64KB区域（1024KB～1088KB）。由HIMEM.SYS建立和管理。
　　●XMS内存　符合XMS规范管理的扩展内存区。其驱动程序为HIMEM.SYS。
　　●EMS内存　符合EMS规范管理的扩充内存区。其驱动程序为EMM386.EXE等