1.6 Memory Capacity Detection

1.6 Memory Capacity Detection

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1.6.1 Overview

 

OS必须知道系统物理内存的数量，才能够有效的使用和管理这些物理内存。所以在booting阶段，我们必须通过某种手段来检测和获取物理内存的总量。

 

由于在booting阶段的绝大部分时间里，主机处于Real Mode下，而在Real Mode下，我们通过正常手段能够访问的物理内存最大只能达到1M+64K（在A20 Gate被打开的情况下，否则，最大只能访问1M），所以我们无法直接通过内存访问来获取内存总量。因此，剩下的唯一手段就是通过BIOS中断。

 

但不幸的是，通过BIOS中断获取内存容量并非在所有情况都可以完全工作。

 

获取机器内存容量的方法一般来讲有三种方法,这三种方法都是基于BIOS INT 15h中断,它们的名称依此为88h，E801h，E820h。

 

其 中，88h方法是在Intel 80286出现的那天起就存在的，后续的PC及其兼容机为了保持向下兼容，都继续保留了这种方法。因此，这种方法在所有的IBM PC及其兼容机上都存在，所以看起来，booting只需要这种方法就可以获取物理内存总量，其它两种方法似乎没有存在的必要。但事实上，这种方法存在一 个重要的缺陷，由于这种方法是在16-bit时代就存在的，所以，它通过16-bit寄存器来保存内存容量作为返回值。但16-bit所能够表示的最大值 是64 KB。由于这种方法的返回值是以KB为单位，所以它能够表示的系统最大物理内存容量为64 MB。而对于今天的PC机来说，64 MB已经是很低的内存配置了，大多数PC机的实际物理内存配置都大于64 MB。

 

另外，需要注意的是，由于这种方法出现于Intel 80286时代，而80286的24-bit地址总线能够访问的最大地址为16MB，所以，尽管这种方法使用16-bit寄存器能够表示的最大内存数量为64 MB，但标准的BIOS只允许通过这种方法获取最大16 MB的物理内存数量。

 

为了能够获取大于64 MB的内存，就必须通过另外两种方法的一种。但并非每一台PC机都实现了这两种方法或这两种方法之一。

 

当今流行的桌面操作系统在Booting阶段进行内存检测的方法都是采用这三种方法，比如Microsoft Windows NT，Linux等。所以在某些不支持E820h，E801h的PC上，它们也最多只能检测到64 MB或16 MB物理内存（依赖于88h的最大返回值限制）。

 

但请不必过分担心，对于绝大多数现代PC机来说，至少提供了这两种方法的一种；而对于过去的PC机，又很少有超过64 MB的配置。从这个意义上来说，这已经足够了。

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1.6.2 INT 15h, AX=E820h - Query System Address Map

E820h只能在Real Mode下使用。

这个中断调用返回所有被安装在主机上的RAM,以及被BIOS所保留的物理内存范围的内存映象。

输入:

Register	Meaning	Description
EAX	功能码	E820h
EBX	后续值	放置着"后续值"，这个值是为了得到下一块物理内存段，它应该指定上一次调用此程序所返回的值，如果这是第一次调用，EBX必须被指定为0。
ES:DI	缓冲指针	指向一个地址范围描述符结构，BIOS将会填充此结构。
ECX	缓冲大小	缓冲指针所指向的地址范围描述符结构的大小，以Byte为单位，无论ES:DI所指向的结构如何设置，BIOS最多将会填充ECX个字节,必需被BIOS以及调用者所支持的最小尺寸是20个字节,未来的实现将会扩展此限制。
EDX	标志	'SMAP' - BIOS将会使用此标志，对调用者将要请求的系统映象信息进行校验，这些信息会被BIOS放置到ES:DI所指向的结构中。

输出:

Register	Meaning	Description
CF	进位标志	不进位表示没有错误，否则则存在错误。
EAX	标志	'SMAP'
ES:DI	缓冲指针	返回的地址范围描述符结构指针，和输入值相同。
ECX	缓冲大小	BIOS所填充在地址范围描述符中的字节数量，被BIOS所返回的最小值是20个字节。
EBX	后续	这 里放置着为了等到下一个地址描述符所需要的"后续值"，这个值的实际形势倚赖于具体的BIOS的实现，调用者不必要关心它的具体形式，只需要在下次迭代的 时候，将其原封不动的放置到EBX中，就可以通过它获取下一个地址范围描述符。如果它的值为0，则表示它是最后一个地址范围描述符。 一定注意,只有这个后续值为零,并且CF没有进位的时候,才表示这是最后一个地址范围描述符。

 

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Address Range Descriptor Structure

 

地址范围描述符结构

Offset	Name	Description
0	BaseAddrLow	基地址的低32位
4	BaseAddrHigh	基地址的高32位
8	LengthLow	长度(字节)的低32位
12	LengthHigh	长度(字节)的高32位
16	Type	这个地址范围的地址类型

 

其中Type的取值及其意义如下:

Value	Name	Description
1	AddressRangeMemory	这个内存段是一段可以被OS使用的RAM
2	AddressRangeReserved	这个地址段正在被使用,或者被系统保留,所以一定不要被OS使用
Other	Undefined	保留为未来使用,任何其它值都必需被OS认为是AddressRangeReserved

 

如下一些原因造成BIOS将某个内存段标记为AddressRangeReserved:

• 这个地址范围包含着系统ROM；
• 这个地址范围包含着被ROM使用的RAM；
• 这个地址范围被用作系统设备内存映射；
• 这个地址范围由于某种原因,不适合被标准设备用作设备内存空间。

---

Assumptions and Limitations

• BIOS返回那些描述大块内存的地址范围，随后是ISA/PCI内存；
• BIOS不返回被用作PCI设备,ISA可选ROM，以及ISA plus&play卡的内存映象，这是因为OS有相应的机制可以检测到它们；
• BIOS返回芯片定义的地址空洞，这些地址作为保留不会被设备使用；
• 被定义的大块内存被映射到IO设备的地址范围作为保留地址将会被返回；
• 系统BIOS的所有occurrences将会被作为保留内存返回，这包括低于1M的内存，在16M(如果存在)处的内存，以及在地址空间(4G)结尾处的内存；
• 标准的PC地址范围不会被报告，例如在地址A0000到BFFF的被用作video memory的内存；从E0000到EFFFF的内存是主板指定的，将会被报告；
• 所有的低位内存作为正常的内存将会被报告，处理为规范保留的标准RAM是OS的责任，例如，中断向量表(0:0)以及BIOS数据区(40:0)。

---

Example address map

这个地址映象样例描述了一个具有128MB RAM的计算机,其中包括640KB的基本内存，以及127M的扩展内存。在640KB的基本内存中，639KB归用户使用，1K作为扩展BIOS数据区。以12MB位置为起始，存在一个LFB(Liner Frame Buffer)，被芯片创建的内存空洞是从8MB到16MB，这个内存空洞是APIC设备的内存映象。IO单元处于FEC00000, 本地单元处于FEE00000,系统的BIOS被重映射到(4G-64K)的位置上。
注意，第一块内存，也就是基本内存的639K的终点位置，被报告在BIOS数据段40:13。

"ARM"表示AddressRangeMemory，"ARR"是AddressRangeReserved。

Base Address	Length	Type	Description
0000:0000	639K	ARM	可以使用的基本内存(也就是通过INT 12获取的内存容量)
0009:FC00	1K	ARR	为BIOS保留的内存；这个区域包括扩展BIOS数据区.
000F:0000	64K	ARR	系统BIOS
0010:0000	7M	ARM	扩展内存,它没有64M的地址范围限制
0080:0000	8M	ARR	芯片内存空洞,用于支持在12MB位置的LFB映射
0100:0000	120M	ARM	在芯片内存空洞之上的大块内存RAM
FEC0:0000	4K	ARR	被映射到FEC00000的IO APIC内存，注意不同的厂商的APIC所需要的地址范围可能不一样
FEE0:0000	4K	ARR	本地APIC内存映射
FFFF:0000	64K	ARR	重映射的系统BIOS

 

---

1.6.3 INT 15h, AX=E801h - Get Memory Size for Large Configurations

E801h只能在Real Mode下使用。

 

最初,这种方式是为EISA服务定义的，这个接口能够报告多达4G的RAM。然而它不象E820h方式那么通用，E820h在更多的系统上可以使用。

 

输入：

Register	Meaning	Description
AX	功能码	E801h

 

输出：

Register	Meaning	Description
CF	进位标志	不进位表示没有错误
AX	扩展1	1到16M内存的容量,以KB为单位,最大数量0x3C00 = 15M
BX	扩展2	16MB到4GB之间的内存容量,以64K为单位
CX	配置1	1到16M内存的容量,以KB为单位,最大数量0x3C00 = 15M
DX	配置2	16MB到4GB之间的内存容量,以64K为单位

无法确定"扩展"和"配置"之间的不同到底在哪里，事实上它们的值是相同的。

注意：一个机器可能使用这个接口来报告16M以下内存空洞(count1小于15M,但count2却为非0)。

---

1.6.4 INT 15h, AH=88h - Get Extended Memory Size

E88h只能在实模式下使用。

这个接口是相当原语性的，它返回1M地址以上的后续内存容量。最大的限止是它的返回值是16-bit的，以KB为单位，所以它最多能够返回64M。在某些系统上，它仅仅能够返回16M以内的内存。

 

和前两者相比，它的唯一好处是它在所有的PC上都工作。

 

输入：

Register	Meaning	Description
AH	功能码	88h

输出：

Register	Meaning	Description
CF	进位标志	不进位表示没有错误
AX	内存容量	以KB为单位,1MB以上的内存容量

 

---

 

1.6.5 Directly Probing Memory

 

我 们在前面已经提到，使用BIOS的方法在某些情况下会无法工作。在这些情况下，可以使用直接探测内存方法。直接探测内存，是一种不依赖于BIOS的内存检 测方法，这使得它是一种更加轻便的方法。当使用这种方法的时候，你或许需要考虑系统内存空洞，以及被映射到外部设备上的内存（比如frame buffering SVGA cards)。

 

使用这种方法的时候，必须进入Protected Mode。

 

另外，由于Intel的386以后的CPU为了提高内存访问速度，使用了memory cache，来缓冲内存中的内容。但对于我们想通过直接探测内存来确定内存容量的方法来讲， memory cache反而会造成负面的影响，因此我们必须禁止memory cache。

 

/*
* ULONG count_memory (void)
*
* probes memory above 1mb
*
* last mod : 05sep98 - stuart george
*            08dec98 - ""     ""
*            21feb99 - removed dummy calls
*
*/
ULONG count_memory(void)
{
register ULONG *mem;
ULONG mem_count, a;
USHORT memkb;
UCHAR irq1, irq2;
ULONG cr0;

/* save IRQ's */
irq1=inb(0x21);
irq2=inb(0xA1);

/* kill all irq's */
outb(0x21, 0xFF);
outb(0xA1, 0xFF);

mem_count=0;
memkb=0;

// store a copy of CR0
__asm__ __volatile__("movl %%cr0, %%eax":"=a"(cr0))::"eax");

// invalidate the cache
// write-back and invalidate the cache
__asm__ __volatile__ ("wbinvd");

// plug cr0 with just PE/CD/NW
// cache disable(486+), no-writeback(486+), 32bit mode(386+)
__asm__ __volatile__("movl %%eax, %%cr0", :: "a" (cr0 | 0x00000001 | 0x40000000 | 0x20000000) : "eax");

do
{
memkb++;
mem_count+=1024*1024;
mem=(ULONG*)mem_count;

a=*mem;

*mem=0x55AA55AA;

// the empty asm calls tell gcc not to rely on whats in its registers
// as saved variables (this gets us around GCC optimisations)
asm(" ": : :"memory");
if(*mem!=0x55AA55AA)
mem_count=0;
else
{
*mem=0xAA55AA55;
asm(" ": : :"memory");
if(*mem!=0xAA55AA55)
mem_count=0;
}

asm("":::"memory");
*mem=a;
}while(memkb<4096 && mem_count!=0);

__asm__ __volatile__("movl %%eax, %%cr0", :: "a" (cr0) : "eax");

outb(0x21, irq1);
outb(0xA1, irq2);

	return (memkb<<20);

1.6 Memory Capacity Detection

 

[]  []  []  []

 

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1.6.1 Overview

 

OS必须知道系统物理内存的数量，才能够有效的使用和管理这些物理内存。所以在booting阶段，我们必须通过某种手段来检测和获取物理内存的总量。

 

由于在booting阶段的绝大部分时间里，主机处于Real Mode下，而在Real Mode下，我们通过正常手段能够访问的物理内存最大只能达到1M+64K（在A20 Gate被打开的情况下，否则，最大只能访问1M），所以我们无法直接通过内存访问来获取内存总量。因此，剩下的唯一手段就是通过BIOS中断。

 

但不幸的是，通过BIOS中断获取内存容量并非在所有情况都可以完全工作。

 

获取机器内存容量的方法一般来讲有三种方法,这三种方法都是基于BIOS INT 15h中断,它们的名称依此为88h，E801h，E820h。

 

其 中，88h方法是在Intel 80286出现的那天起就存在的，后续的PC及其兼容机为了保持向下兼容，都继续保留了这种方法。因此，这种方法在所有的IBM PC及其兼容机上都存在，所以看起来，booting只需要这种方法就可以获取物理内存总量，其它两种方法似乎没有存在的必要。但事实上，这种方法存在一 个重要的缺陷，由于这种方法是在16-bit时代就存在的，所以，它通过16-bit寄存器来保存内存容量作为返回值。但16-bit所能够表示的最大值 是64 KB。由于这种方法的返回值是以KB为单位，所以它能够表示的系统最大物理内存容量为64 MB。而对于今天的PC机来说，64 MB已经是很低的内存配置了，大多数PC机的实际物理内存配置都大于64 MB。

 

另外，需要注意的是，由于这种方法出现于Intel 80286时代，而80286的24-bit地址总线能够访问的最大地址为16MB，所以，尽管这种方法使用16-bit寄存器能够表示的最大内存数量为64 MB，但标准的BIOS只允许通过这种方法获取最大16 MB的物理内存数量。

 

为了能够获取大于64 MB的内存，就必须通过另外两种方法的一种。但并非每一台PC机都实现了这两种方法或这两种方法之一。

 

当今流行的桌面操作系统在Booting阶段进行内存检测的方法都是采用这三种方法，比如Microsoft Windows NT，Linux等。所以在某些不支持E820h，E801h的PC上，它们也最多只能检测到64 MB或16 MB物理内存（依赖于88h的最大返回值限制）。

 

但请不必过分担心，对于绝大多数现代PC机来说，至少提供了这两种方法的一种；而对于过去的PC机，又很少有超过64 MB的配置。从这个意义上来说，这已经足够了。

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1.6.2 INT 15h, AX=E820h - Query System Address Map

E820h只能在Real Mode下使用。

这个中断调用返回所有被安装在主机上的RAM,以及被BIOS所保留的物理内存范围的内存映象。

输入:

Register	Meaning	Description
EAX	功能码	E820h
EBX	后续值	放置着"后续值"，这个值是为了得到下一块物理内存段，它应该指定上一次调用此程序所返回的值，如果这是第一次调用，EBX必须被指定为0。
ES:DI	缓冲指针	指向一个地址范围描述符结构，BIOS将会填充此结构。
ECX	缓冲大小	缓冲指针所指向的地址范围描述符结构的大小，以Byte为单位，无论ES:DI所指向的结构如何设置，BIOS最多将会填充ECX个字节,必需被BIOS以及调用者所支持的最小尺寸是20个字节,未来的实现将会扩展此限制。
EDX	标志	'SMAP' - BIOS将会使用此标志，对调用者将要请求的系统映象信息进行校验，这些信息会被BIOS放置到ES:DI所指向的结构中。

输出:

Register	Meaning	Description
CF	进位标志	不进位表示没有错误，否则则存在错误。
EAX	标志	'SMAP'
ES:DI	缓冲指针	返回的地址范围描述符结构指针，和输入值相同。
ECX	缓冲大小	BIOS所填充在地址范围描述符中的字节数量，被BIOS所返回的最小值是20个字节。
EBX	后续	这 里放置着为了等到下一个地址描述符所需要的"后续值"，这个值的实际形势倚赖于具体的BIOS的实现，调用者不必要关心它的具体形式，只需要在下次迭代的 时候，将其原封不动的放置到EBX中，就可以通过它获取下一个地址范围描述符。如果它的值为0，则表示它是最后一个地址范围描述符。 一定注意,只有这个后续值为零,并且CF没有进位的时候,才表示这是最后一个地址范围描述符。

 

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Address Range Descriptor Structure

 

地址范围描述符结构

Offset	Name	Description
0	BaseAddrLow	基地址的低32位
4	BaseAddrHigh	基地址的高32位
8	LengthLow	长度(字节)的低32位
12	LengthHigh	长度(字节)的高32位
16	Type	这个地址范围的地址类型

 

其中Type的取值及其意义如下:

Value	Name	Description
1	AddressRangeMemory	这个内存段是一段可以被OS使用的RAM
2	AddressRangeReserved	这个地址段正在被使用,或者被系统保留,所以一定不要被OS使用
Other	Undefined	保留为未来使用,任何其它值都必需被OS认为是AddressRangeReserved

 

如下一些原因造成BIOS将某个内存段标记为AddressRangeReserved:

• 这个地址范围包含着系统ROM；
• 这个地址范围包含着被ROM使用的RAM；
• 这个地址范围被用作系统设备内存映射；
• 这个地址范围由于某种原因,不适合被标准设备用作设备内存空间。

---

Assumptions and Limitations

• BIOS返回那些描述大块内存的地址范围，随后是ISA/PCI内存；
• BIOS不返回被用作PCI设备,ISA可选ROM，以及ISA plus&play卡的内存映象，这是因为OS有相应的机制可以检测到它们；
• BIOS返回芯片定义的地址空洞，这些地址作为保留不会被设备使用；
• 被定义的大块内存被映射到IO设备的地址范围作为保留地址将会被返回；
• 系统BIOS的所有occurrences将会被作为保留内存返回，这包括低于1M的内存，在16M(如果存在)处的内存，以及在地址空间(4G)结尾处的内存；
• 标准的PC地址范围不会被报告，例如在地址A0000到BFFF的被用作video memory的内存；从E0000到EFFFF的内存是主板指定的，将会被报告；
• 所有的低位内存作为正常的内存将会被报告，处理为规范保留的标准RAM是OS的责任，例如，中断向量表(0:0)以及BIOS数据区(40:0)。

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Example address map

这个地址映象样例描述了一个具有128MB RAM的计算机,其中包括640KB的基本内存，以及127M的扩展内存。在640KB的基本内存中，639KB归用户使用，1K作为扩展BIOS数据区。以12MB位置为起始，存在一个LFB(Liner Frame Buffer)，被芯片创建的内存空洞是从8MB到16MB，这个内存空洞是APIC设备的内存映象。IO单元处于FEC00000, 本地单元处于FEE00000,系统的BIOS被重映射到(4G-64K)的位置上。
注意，第一块内存，也就是基本内存的639K的终点位置，被报告在BIOS数据段40:13。

"ARM"表示AddressRangeMemory，"ARR"是AddressRangeReserved。

Base Address	Length	Type	Description
0000:0000	639K	ARM	可以使用的基本内存(也就是通过INT 12获取的内存容量)
0009:FC00	1K	ARR	为BIOS保留的内存；这个区域包括扩展BIOS数据区.
000F:0000	64K	ARR	系统BIOS
0010:0000	7M	ARM	扩展内存,它没有64M的地址范围限制
0080:0000	8M	ARR	芯片内存空洞,用于支持在12MB位置的LFB映射
0100:0000	120M	ARM	在芯片内存空洞之上的大块内存RAM
FEC0:0000	4K	ARR	被映射到FEC00000的IO APIC内存，注意不同的厂商的APIC所需要的地址范围可能不一样
FEE0:0000	4K	ARR	本地APIC内存映射
FFFF:0000	64K	ARR	重映射的系统BIOS

 

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1.6.3 INT 15h, AX=E801h - Get Memory Size for Large Configurations

E801h只能在Real Mode下使用。

 

最初,这种方式是为EISA服务定义的，这个接口能够报告多达4G的RAM。然而它不象E820h方式那么通用，E820h在更多的系统上可以使用。

 

输入：

Register	Meaning	Description
AX	功能码	E801h

 

输出：

Register	Meaning	Description
CF	进位标志	不进位表示没有错误
AX	扩展1	1到16M内存的容量,以KB为单位,最大数量0x3C00 = 15M
BX	扩展2	16MB到4GB之间的内存容量,以64K为单位
CX	配置1	1到16M内存的容量,以KB为单位,最大数量0x3C00 = 15M
DX	配置2	16MB到4GB之间的内存容量,以64K为单位

无法确定"扩展"和"配置"之间的不同到底在哪里，事实上它们的值是相同的。

注意：一个机器可能使用这个接口来报告16M以下内存空洞(count1小于15M,但count2却为非0)。

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1.6.4 INT 15h, AH=88h - Get Extended Memory Size

E88h只能在实模式下使用。

这个接口是相当原语性的，它返回1M地址以上的后续内存容量。最大的限止是它的返回值是16-bit的，以KB为单位，所以它最多能够返回64M。在某些系统上，它仅仅能够返回16M以内的内存。

 

和前两者相比，它的唯一好处是它在所有的PC上都工作。

 

输入：

Register	Meaning	Description
AH	功能码	88h

输出：

Register	Meaning	Description
CF	进位标志	不进位表示没有错误
AX	内存容量	以KB为单位,1MB以上的内存容量

 

---

 

1.6.5 Directly Probing Memory

 

我 们在前面已经提到，使用BIOS的方法在某些情况下会无法工作。在这些情况下，可以使用直接探测内存方法。直接探测内存，是一种不依赖于BIOS的内存检 测方法，这使得它是一种更加轻便的方法。当使用这种方法的时候，你或许需要考虑系统内存空洞，以及被映射到外部设备上的内存（比如frame buffering SVGA cards)。

 

使用这种方法的时候，必须进入Protected Mode。

 

另外，由于Intel的386以后的CPU为了提高内存访问速度，使用了memory cache，来缓冲内存中的内容。但对于我们想通过直接探测内存来确定内存容量的方法来讲， memory cache反而会造成负面的影响，因此我们必须禁止memory cache。

 

/*
* ULONG count_memory (void)
*
* probes memory above 1mb
*
* last mod : 05sep98 - stuart george
*            08dec98 - ""     ""
*            21feb99 - removed dummy calls
*
*/
ULONG count_memory(void)
{
register ULONG *mem;
ULONG mem_count, a;
USHORT memkb;
UCHAR irq1, irq2;
ULONG cr0;

/* save IRQ's */
irq1=inb(0x21);
irq2=inb(0xA1);

/* kill all irq's */
outb(0x21, 0xFF);
outb(0xA1, 0xFF);

mem_count=0;
memkb=0;

// store a copy of CR0
__asm__ __volatile__("movl %%cr0, %%eax":"=a"(cr0))::"eax");

// invalidate the cache
// write-back and invalidate the cache
__asm__ __volatile__ ("wbinvd");

// plug cr0 with just PE/CD/NW
// cache disable(486+), no-writeback(486+), 32bit mode(386+)
__asm__ __volatile__("movl %%eax, %%cr0", :: "a" (cr0 | 0x00000001 | 0x40000000 | 0x20000000) : "eax");

do
{
memkb++;
mem_count+=1024*1024;
mem=(ULONG*)mem_count;

a=*mem;

*mem=0x55AA55AA;

// the empty asm calls tell gcc not to rely on whats in its registers
// as saved variables (this gets us around GCC optimisations)
asm(" ": : :"memory");
if(*mem!=0x55AA55AA)
mem_count=0;
else
{
*mem=0xAA55AA55;
asm(" ": : :"memory");
if(*mem!=0xAA55AA55)
mem_count=0;
}

asm("":::"memory");
*mem=a;
}while(memkb<4096 && mem_count!=0);

__asm__ __volatile__("movl %%eax, %%cr0", :: "a" (cr0) : "eax");

outb(0x21, irq1);
outb(0xA1, irq2);

	return (memkb<<20);
}

}