Модель памяти Intel x86

16-битная x86-архитектура, благодаря наличию четырёх сегментных регистров, позволяет одновременно иметь доступ к четырём сегментам памяти. Назначение сегментных регистров:

• DS (data segment) — сегмент данных;
• CS (code segment) — сегмент кода;
• SS (stack segment) — сегмент стека;
• ES (extra segment) — дополнительный сегмент.

Логический адрес на такой платформе принято записывать в виде сегмент:смещение, где сегмент и смещение задаются в шестнадцатеричной системе счисления.

В реальном режиме для вычисления физического адреса байта памяти происходит сдвиг влево на 4 разряда значения соответствующего сегментного регистра, а затем добавляется смещение.

Например, логический адрес 7522:F139 дает 20-битный физический адрес:

Необходимо отметить, что этот процесс приводит к алиасингу памяти, то есть любой данный физический адрес может иметь несколько логических представлений. Это усложняет сравнение указателей.

В защищённом режиме для этой же цели используются GDT и LDT.

Указатели могут быть типов near (ближний), far (дальний) или huge (большой).

Ближний (near) указатель ссылается на текущий сегмент, поэтому ни DS ни CS не должны изменяться при разыменовании указателя. Указатели этого типа являются самыми быстрыми, но ограничены областью указывания в 64 килобайта памяти (то есть текущим сегментом).

Far-указатели содержат новое значение DS или CS. Для их использования регистр должен быть изменён, память разыменована, а затем регистр должен быть восстановлен. Такие указатели могут ссылаться на 1 мегабайт памяти. Необходимо отметить, что арифметические действия с указателями (сложение и вычитание) не изменяют участок сегмента указателя, а затрагивают лишь его смещение. Операции, выходящие за границы нуля или 65535 (0xFFFF), подвергнутся операции взятия по модулю 64K, как и любая обычная 16-битная операция. Например, знаковое −1 превращается в беззнаковое 0xFFFF или 65535.

К примеру, нижеследующий код выйдет за рамки и перепишет сам себя:

char far* myfarptr = (char far*) 0x50000000L ; 
unsigned long counter ;
for(counter=0; counter<128*1024; counter++) // доступ к 128K памяти
  *(myfarptr+counter) = 7 ; // записать все семерки в неё

В какой-то момент счётчик counter станет равным (0x10000), а результирующий абсолютный адрес превысит 0x5000:0000.

Большие (huge) указатели по сути являются дальними указателями, но нормализуются каждый раз когда они меняются, так что у них есть наивысший сегмент, доступный им для адресации. Это весьма медленно, но зато позволяет указателю указывать на несколько сегментов, а также позволяет более точно сравнивать указатели, как если бы в качестве платформы использовалась бы плоская модель памяти: это запрещает алиасинг памяти как упоминалось выше, поэтому два больших указателя, ссылающиеся на один и тот же участок памяти, всегда будут равны.

Модели памяти бывают:

* В модели Tiny (крошечная) все четыре сегментных регистра указывают на один и тот же сегмент.

** Во всех моделях с ближними указателями на данные SS равно DS.

В защищённом режиме сегмент не может быть перезаписан, считан и выполнен.

Поэтому, при реализации моделей памяти Small и Tiny регистр сегмента кода должен указывать на тот же физический адрес и иметь то же ограничение, что и регистр сегмента данных. Это нивелирует одну из особенностей процессора 80286, которая гарантирует, что сегменты данных никогда не будут исполняться, а сегмент кода никогда не будет перезаписываться (что означает полное запрещение самомодифицирующегося кода). Однако, на процессорах 80386 с его плоской моделью памяти можно защитить от записи отдельные страницы памяти.

Модели памяти не ограничиваются 16-битными программами. Можно использовать сегментацию также и в 32-битном защищённом режиме (получая в результате 48-битные указатели), причём существуют компиляторы языка Си, поддерживающие это.

Тем не менее, сегментация в 32-битном режиме не позволяет получать доступ к большему адресному пространству, чем тот, который охватывает один сегмент, за исключением некоторых сегментов, которые не всегда представлены в памяти, а линейное адресное пространство просто используется как кэш за счёт увеличенного сегментированного виртуального пространства.

По большей части это позволяет лучше защитить доступ к различным объектам (области объёмом до 1 мегабайта могут получить преимущества за счёт побайтового разбиения защиты доступа, в отличие от довольно «грубого» дробления по 4 KiB, предлагаемого при одиночной странице), и таким образом используется лишь в специальных приложениях, навроде телекоммуникационного ПО.

Технически, «плоское» 32-битное адресное пространство является моделью памяти типа «tiny» для сегментированного адресного пространства. Под влиянием обоих факторов, все четыре сегментных регистра содержат одно и то же значение.

На платформе x86-64 существует семь моделей памяти[1], причём большинство символьных ссылок являются лишь 32-битными, и если адрес известен во время линковки (в отличие от позиционно-независимого кода). Это не влияет на использование указателей, которые всегда являются плоскими 64-битными указателями, но только с точки зрения доступа к значению через размещение символов.

• Модель памяти
• Модель памяти в языке Си
• Сегментная адресация памяти
• Плоская модель памяти
• Указатель
• x86

• Turbo C++ Version 3.0 User’s Guide. Borland International, 1992.