Переключение банков

Переключение банков — способ увеличения количества используемой памяти по сравнению с количеством, которое процессор может адресовать напрямую. Этот способ может использоваться чтобы изменять конфигурацию системы: например ПЗУ, требующееся для загрузки системы с дискеты, может быть отключено, когда оно больше не нужно. В игровых приставках переключение банков позволяет разработать игры большего размера для использования на текущем поколении консолей.

Переключение банков впервые появилось в мини-компьютерах. Многие современные микроконтроллеры и микропроцессоры используют переключение банков для управления ОЗУ, ПЗУ, устройствами ввода-вывода и регистрами системного управления в небольших встраиваемых системах. Данный способ широко использовался в 8-битных микрокомпьютерах. Переключение банков также может использоваться если ширина шины адреса ограничена искусственно и есть аппаратные ограничения, не позволяющие увеличить число линий адреса. В некоторых микроконтроллерах поддержка переключения банков встроена аппаратно, что позволяет сократить число адресных бит, используемых в инструкциях.

В отличие от механизма «подкачки страниц», данные не выгружаются на устройство хранения (жесткий диск). Данные в неизменном виде остаются в недоступной в данный момент процессору области памяти (хотя эта область может быть доступна видеоконтроллеру, контроллеру DMA или другим подсистемам компьютера).

Принцип действия

Переключение банков можно рассматривать как способ расширения шины адреса процессора с помощью внешнего регистра. Например, процессор с 16-битной внешней шиной адреса может адресовать 2¹⁶ = 65536 ячеек памяти. Если к системе добавлен внешний триггер, с его помощью можно управлять, к какому из двух наборов блоков памяти по 65536 ячеек каждый будет выполняться доступ. Процессор может переключать используемый набор блоков, устанавливая или сбрасывая триггер.

Триггер может сбрасываться или устанавливаться несколькими способами: путём обращения к определённому адресу памяти, либо, в процессорах с выделенными инструкциями ввода-вывода, путём обращения к определённому порту ввода-вывода. Несколько триггеров, управляющих переключением банков, могут быть объединены в регистр, при этом каждый разряд регистра может примерно удвоить число адресуемых ячеек.

Так как триггер (регистр) выбора банка напрямую не связан с счётчиком команд процессора, он не меняет своего состояния автоматически при переполнении счётчика программ. Переполнение не может быть обнаружено внешним триггером, так как счётчик программ это внутренний регистр процессора. Программы не могут воспользоваться дополнительной памятью без модификации. Так как длина внутренних регистров процессора не меняется, процессор не может напрямую адресовать ячейки памяти всех банков за счёт, например, инкремента внутреннего регистра. Вместо этого процессор должен явно выполнить операцию переключения банков для доступа к большим объектам в памяти. Есть и другие ограничения. Обычно система с переключением банков будет содержать один блок памяти программ, общий для всех банков. Вне зависимости от выбранного в данный момент банка, часть адресного пространства будет отображаться на одну и ту же область памяти. В этой области будет находиться код, управляющий переключением банков и выполняющий обработку прерываний.

В отличие от технологии виртуальной памяти управление переключением банков должно явно осуществляться выполняющейся программой или операционной системой. Аппаратная часть процессора не может автоматически определить, что требуются данные, недоступные в данный момент через выбранный банк. Прикладная программа должна отслеживать, какой банк памяти содержит требуемые данные, и вызывать процедуру переключения банков, чтобы сделать этот банк активным. В то же время, переключение банков позволяет получить доступ к данным быстрее, чем, например, подгрузка страниц с диска.

Использование в микрокомпьютерах

Процессоры с 16-битной шиной адреса (Z80, 6502, 6809 и другие), широко применявшиеся в первых игровых приставках и домашних компьютерах могли адресовать напрямую только 64 КБ. В системах, имевших больше памяти, приходилось разбивать адресное пространство на блоки, которые можно было динамически отображать на блоки внутри большего адресного пространства. Блоки памяти разных размеров подключались и отключались с помощью регистров выбора банка или похожих механизмов. Обычно некоторые блоки всегда оставались доступны. Требовалась осторожность, чтобы не нарушить корректность вызова подпрограмм, обработку прерываний, целостность стека вызовов, и т.п. В то время, как содержимое отключенного блока памяти становилось недоступно процессору, оно могло использоваться другим аппаратным обеспечением, например видеоконтроллером, контроллером DMA, устройствами ввода-вывода. Последняя версия CP/M, выпущенная в 1982 году поддерживала переключение банков, чтобы использовать более 64КБ памяти, которые могли адресовать процессоры 8080 и Z80 .

Переключение банков позволило добавлять в конструкцию компьютера дополнительную память и функции без необходимости перехода на процессор с более широкой шиной адреса с вытекающими отсюда проблемами удорожания и несовместимости. Например, компьютер Commodore 64 использовал переключение банков чтобы использовать все 64 КБ ОЗУ и при этом использовать ПЗУ и отображение регистров ввода-вывода на память. Atari 130XE позволял процессору 6502 и видеоконтроллеру ANTIC получать доступ к раздельным банкам ОЗУ, за счёт чего основной процессор мог подготовить графические объекты в банке памяти и затем отключить его, а видеоконтроллер продолжал использовать эти объекты, хотя банк памяти был уже не виден основному процессору.

Марсоход Соджорнер использует процессор 80C85 с внешней схемой переключения банков, позволяющей адресовать более 512 КБ памяти через страницы размером 16 КБ. Другой прототип марсохода использует микроконтроллер 80C51 с внешней схемой переключения банков для доступа к 256 КБ статического ОЗУ.

Использование в IBM PC-совместимых компьютерах

В 1985 году компании Lotus Software и Intel представили спецификацию расширенной памяти (англ. Expanded Memory Specification, EMS) версии 3.0 для использования в IBM PC-совместимых компьютерах под управлением MS-DOS. При выпуске версий 3.2 в 1986 году и 4.0 в 1987, к этой группе присоединилась компания Microsoft и спецификация стала известна как Lotus-Intel-Microsoft EMS или LIM EMS. Расширенная память — это плата памяти для шины ISA, использующая переключение банков и позволяющая использовать более 640 КБ ОЗУ, разрешённых оригинальной архитектурой IBM PC. Доступ к расширенной памяти производится через «окно» в адресном пространстве размером 64 КБ, размещённом в «верхней области памяти». Эти 64 КБ разделены на четыре «страницы» по 16 КБ, которые могут переключаться независимо. Многие прикладные программы и компьютерные игры, выпущенные до начала 90-х годов, использовали расширенную память. Хотя на данный момент EMS является устаревшей технологией, в 32-битных версиях операционной системы Microsoft Windows её поддержка обеспечивается до сих пор.

Позже была стандартизирована спецификация дополнительной памяти (англ. eXtended Memory Specification, XMS), на данный момент также устаревшая. XMS позволяет приложениям MS-DOS, работающим в реальном режиме, получить доступ к памяти за пределами первого мегабайта адресного пространства. Блоки дополнительной памяти могут копироваться в основную и обратно, а также отображаться в области верхней памяти, имитируя переключение банков («банки» в данном случае могут быть произвольного размера). Для обеспечения совместимости с приложениями, использующими EMS память, в составе MS-DOS начиная с версии 4.01 появился драйвер EMM386, использующий XMS память для имитации техники переключения банков EMS памяти. Поддержка XMS сохранена в текущих 32-битных версиях операционной системы Microsoft Windows.

Использование в игровых приставках

Переключение банков также использовалось в некоторых игровых приставках. Например, Atari 2600 позволяла адресовать только 4 КБ ПЗУ, поэтому поздние игровые картриджи к 2600 содержали собственные схемы переключения банков, чтобы обеспечить использование большего объёма ПЗУ и тем самым уместить более сложные (за счет большего объёма программного кода и игровых данных, таких как графика и уровни) игры. Приставка Nintendo Entertainment System содержала модифицированный процессор 6502, но её картриджи содержали иногда мегабит и более ПЗУ, адресуемого через схему переключения банков, называвшуюся Multi-Memory Controller. Картриджи к Game Boy использовали микросхему под названием MBC (Memory Bank Controller), которая не только выполняла переключение банков ПЗУ, но также и переключение встроенных банков статического ОЗУ, и даже доступ к таким внешним устройствам, как инфракрасные порты или вибромоторы. Переключение банков использовалось и в более поздних игровых системах.

Использование в видеоадаптерах

В некоторых типах видеоадаптеров для улучшения воспроизведения видео может использоваться схожая техника двойной буферизации. В этом случае, пока процессор обновляет содержимое одной области видеопамяти, схема, осуществляющая формирование изображения, считывает и отображает содержимое второй области. Когда процессор завершает обновление, он подаёт схеме видеоадаптера сигнал переключить активные банки, так что момент смены изображения не сопровождается артефактами или искажениями. В данном случае процессор может иметь доступ ко всей видеопамяти, но схема видеоадаптера использует для доступа к разным областям видеопамяти переключение банков. Если два или более банков видеопамяти содержат слегка отличающиеся изображения, быстрое переключение (перелистывание) между ними позволяет создать анимацию или другие визуальные эффекты, для выполнения которых напрямую производительности процессора может быть недостаточно.

Альтернативные методы и развитие

Переключение банков было вытеснено во многих 16-битных системах сегментацией памяти, которая в свою очередь уступила место блокам управления памятью с подкачкой страниц. Тем не менее, во встраиваемых системах, переключение банков всё ещё пользуется популярностью из-за своей простоты, дешевизны и часто большей уместности в данной области, чем в компьютерах общего назначения.

Компьютеры, использующие переключение банков

• Amstrad CPC
• Amstrad PCW
• Бортовой управляющий компьютер КА Аполлон
• Apple II
• Apple III
• Atari 130XE
• BBC Micro
• Commodore 64
• Commodore 128
• Enterprise 64/128
• MSX
• PIC
• SAM Coupé
• TRS-80 Model 4
• ZX Spectrum 128 models
• Агат
• Корвет
• Орион-128

Внешние ссылки

• [folklore.org/StoryView.py?project=Macintosh&story=Well_See_About_That.txt&sortOrder=Sort%20by%20Date&detail=medium Story about bank switching in the Apple II.]
• [www.wisegeek.com/what-is-bank-switching.htm What Is Bank Switching?]

Отрывок, характеризующий Переключение банков

– Да отчего же стыдно?Да так, я не знаю. Неловко, стыдно.
– А я знаю, отчего ей стыдно будет, – сказал Петя, обиженный первым замечанием Наташи, – оттого, что она была влюблена в этого толстого с очками (так называл Петя своего тезку, нового графа Безухого); теперь влюблена в певца этого (Петя говорил об итальянце, Наташином учителе пенья): вот ей и стыдно.
– Петя, ты глуп, – сказала Наташа.
– Не глупее тебя, матушка, – сказал девятилетний Петя, точно как будто он был старый бригадир.
Графиня была приготовлена намеками Анны Михайловны во время обеда. Уйдя к себе, она, сидя на кресле, не спускала глаз с миниатюрного портрета сына, вделанного в табакерке, и слезы навертывались ей на глаза. Анна Михайловна с письмом на цыпочках подошла к комнате графини и остановилась.
– Не входите, – сказала она старому графу, шедшему за ней, – после, – и затворила за собой дверь.
Граф приложил ухо к замку и стал слушать.
Сначала он слышал звуки равнодушных речей, потом один звук голоса Анны Михайловны, говорившей длинную речь, потом вскрик, потом молчание, потом опять оба голоса вместе говорили с радостными интонациями, и потом шаги, и Анна Михайловна отворила ему дверь. На лице Анны Михайловны было гордое выражение оператора, окончившего трудную ампутацию и вводящего публику для того, чтоб она могла оценить его искусство.
– C'est fait! [Дело сделано!] – сказала она графу, торжественным жестом указывая на графиню, которая держала в одной руке табакерку с портретом, в другой – письмо и прижимала губы то к тому, то к другому.
Увидав графа, она протянула к нему руки, обняла его лысую голову и через лысую голову опять посмотрела на письмо и портрет и опять для того, чтобы прижать их к губам, слегка оттолкнула лысую голову. Вера, Наташа, Соня и Петя вошли в комнату, и началось чтение. В письме был кратко описан поход и два сражения, в которых участвовал Николушка, производство в офицеры и сказано, что он целует руки maman и papa, прося их благословения, и целует Веру, Наташу, Петю. Кроме того он кланяется m r Шелингу, и m mе Шос и няне, и, кроме того, просит поцеловать дорогую Соню, которую он всё так же любит и о которой всё так же вспоминает. Услыхав это, Соня покраснела так, что слезы выступили ей на глаза. И, не в силах выдержать обратившиеся на нее взгляды, она побежала в залу, разбежалась, закружилась и, раздув баллоном платье свое, раскрасневшаяся и улыбающаяся, села на пол. Графиня плакала.
– О чем же вы плачете, maman? – сказала Вера. – По всему, что он пишет, надо радоваться, а не плакать.
Это было совершенно справедливо, но и граф, и графиня, и Наташа – все с упреком посмотрели на нее. «И в кого она такая вышла!» подумала графиня.
Письмо Николушки было прочитано сотни раз, и те, которые считались достойными его слушать, должны были приходить к графине, которая не выпускала его из рук. Приходили гувернеры, няни, Митенька, некоторые знакомые, и графиня перечитывала письмо всякий раз с новым наслаждением и всякий раз открывала по этому письму новые добродетели в своем Николушке. Как странно, необычайно, радостно ей было, что сын ее – тот сын, который чуть заметно крошечными членами шевелился в ней самой 20 лет тому назад, тот сын, за которого она ссорилась с баловником графом, тот сын, который выучился говорить прежде: «груша», а потом «баба», что этот сын теперь там, в чужой земле, в чужой среде, мужественный воин, один, без помощи и руководства, делает там какое то свое мужское дело. Весь всемирный вековой опыт, указывающий на то, что дети незаметным путем от колыбели делаются мужами, не существовал для графини. Возмужание ее сына в каждой поре возмужания было для нее так же необычайно, как бы и не было никогда миллионов миллионов людей, точно так же возмужавших. Как не верилось 20 лет тому назад, чтобы то маленькое существо, которое жило где то там у ней под сердцем, закричало бы и стало сосать грудь и стало бы говорить, так и теперь не верилось ей, что это же существо могло быть тем сильным, храбрым мужчиной, образцом сыновей и людей, которым он был теперь, судя по этому письму.
– Что за штиль, как он описывает мило! – говорила она, читая описательную часть письма. – И что за душа! Об себе ничего… ничего! О каком то Денисове, а сам, верно, храбрее их всех. Ничего не пишет о своих страданиях. Что за сердце! Как я узнаю его! И как вспомнил всех! Никого не забыл. Я всегда, всегда говорила, еще когда он вот какой был, я всегда говорила…
Более недели готовились, писались брульоны и переписывались набело письма к Николушке от всего дома; под наблюдением графини и заботливостью графа собирались нужные вещицы и деньги для обмундирования и обзаведения вновь произведенного офицера. Анна Михайловна, практическая женщина, сумела устроить себе и своему сыну протекцию в армии даже и для переписки. Она имела случай посылать свои письма к великому князю Константину Павловичу, который командовал гвардией. Ростовы предполагали, что русская гвардия за границей , есть совершенно определительный адрес, и что ежели письмо дойдет до великого князя, командовавшего гвардией, то нет причины, чтобы оно не дошло до Павлоградского полка, который должен быть там же поблизости; и потому решено было отослать письма и деньги через курьера великого князя к Борису, и Борис уже должен был доставить их к Николушке. Письма были от старого графа, от графини, от Пети, от Веры, от Наташи, от Сони и, наконец, 6 000 денег на обмундировку и различные вещи, которые граф посылал сыну.


12 го ноября кутузовская боевая армия, стоявшая лагерем около Ольмюца, готовилась к следующему дню на смотр двух императоров – русского и австрийского. Гвардия, только что подошедшая из России, ночевала в 15 ти верстах от Ольмюца и на другой день прямо на смотр, к 10 ти часам утра, вступала на ольмюцкое поле.
Николай Ростов в этот день получил от Бориса записку, извещавшую его, что Измайловский полк ночует в 15 ти верстах не доходя Ольмюца, и что он ждет его, чтобы передать письмо и деньги. Деньги были особенно нужны Ростову теперь, когда, вернувшись из похода, войска остановились под Ольмюцом, и хорошо снабженные маркитанты и австрийские жиды, предлагая всякого рода соблазны, наполняли лагерь. У павлоградцев шли пиры за пирами, празднования полученных за поход наград и поездки в Ольмюц к вновь прибывшей туда Каролине Венгерке, открывшей там трактир с женской прислугой. Ростов недавно отпраздновал свое вышедшее производство в корнеты, купил Бедуина, лошадь Денисова, и был кругом должен товарищам и маркитантам. Получив записку Бориса, Ростов с товарищем поехал до Ольмюца, там пообедал, выпил бутылку вина и один поехал в гвардейский лагерь отыскивать своего товарища детства. Ростов еще не успел обмундироваться. На нем была затасканная юнкерская куртка с солдатским крестом, такие же, подбитые затертой кожей, рейтузы и офицерская с темляком сабля; лошадь, на которой он ехал, была донская, купленная походом у казака; гусарская измятая шапочка была ухарски надета назад и набок. Подъезжая к лагерю Измайловского полка, он думал о том, как он поразит Бориса и всех его товарищей гвардейцев своим обстреленным боевым гусарским видом.
Гвардия весь поход прошла, как на гуляньи, щеголяя своей чистотой и дисциплиной. Переходы были малые, ранцы везли на подводах, офицерам австрийское начальство готовило на всех переходах прекрасные обеды. Полки вступали и выступали из городов с музыкой, и весь поход (чем гордились гвардейцы), по приказанию великого князя, люди шли в ногу, а офицеры пешком на своих местах. Борис всё время похода шел и стоял с Бергом, теперь уже ротным командиром. Берг, во время похода получив роту, успел своей исполнительностью и аккуратностью заслужить доверие начальства и устроил весьма выгодно свои экономические дела; Борис во время похода сделал много знакомств с людьми, которые могли быть ему полезными, и через рекомендательное письмо, привезенное им от Пьера, познакомился с князем Андреем Болконским, через которого он надеялся получить место в штабе главнокомандующего. Берг и Борис, чисто и аккуратно одетые, отдохнув после последнего дневного перехода, сидели в чистой отведенной им квартире перед круглым столом и играли в шахматы. Берг держал между колен курящуюся трубочку. Борис, с свойственной ему аккуратностью, белыми тонкими руками пирамидкой уставлял шашки, ожидая хода Берга, и глядел на лицо своего партнера, видимо думая об игре, как он и всегда думал только о том, чем он был занят.
– Ну ка, как вы из этого выйдете? – сказал он.
– Будем стараться, – отвечал Берг, дотрогиваясь до пешки и опять опуская руку.
В это время дверь отворилась.
– Вот он, наконец, – закричал Ростов. – И Берг тут! Ах ты, петизанфан, але куше дормир , [Дети, идите ложиться спать,] – закричал он, повторяя слова няньки, над которыми они смеивались когда то вместе с Борисом.
– Батюшки! как ты переменился! – Борис встал навстречу Ростову, но, вставая, не забыл поддержать и поставить на место падавшие шахматы и хотел обнять своего друга, но Николай отсторонился от него. С тем особенным чувством молодости, которая боится битых дорог, хочет, не подражая другим, по новому, по своему выражать свои чувства, только бы не так, как выражают это, часто притворно, старшие, Николай хотел что нибудь особенное сделать при свидании с другом: он хотел как нибудь ущипнуть, толкнуть Бориса, но только никак не поцеловаться, как это делали все. Борис же, напротив, спокойно и дружелюбно обнял и три раза поцеловал Ростова.
Они полгода не видались почти; и в том возрасте, когда молодые люди делают первые шаги на пути жизни, оба нашли друг в друге огромные перемены, совершенно новые отражения тех обществ, в которых они сделали свои первые шаги жизни. Оба много переменились с своего последнего свидания и оба хотели поскорее выказать друг другу происшедшие в них перемены.
– Ах вы, полотеры проклятые! Чистенькие, свеженькие, точно с гулянья, не то, что мы грешные, армейщина, – говорил Ростов с новыми для Бориса баритонными звуками в голосе и армейскими ухватками, указывая на свои забрызганные грязью рейтузы.
Хозяйка немка высунулась из двери на громкий голос Ростова.
– Что, хорошенькая? – сказал он, подмигнув.
– Что ты так кричишь! Ты их напугаешь, – сказал Борис. – А я тебя не ждал нынче, – прибавил он. – Я вчера, только отдал тебе записку через одного знакомого адъютанта Кутузовского – Болконского. Я не думал, что он так скоро тебе доставит… Ну, что ты, как? Уже обстрелен? – спросил Борис.
Ростов, не отвечая, тряхнул по солдатскому Георгиевскому кресту, висевшему на снурках мундира, и, указывая на свою подвязанную руку, улыбаясь, взглянул на Берга.
– Как видишь, – сказал он.
– Вот как, да, да! – улыбаясь, сказал Борис, – а мы тоже славный поход сделали. Ведь ты знаешь, его высочество постоянно ехал при нашем полку, так что у нас были все удобства и все выгоды. В Польше что за приемы были, что за обеды, балы – я не могу тебе рассказать. И цесаревич очень милостив был ко всем нашим офицерам.
И оба приятеля рассказывали друг другу – один о своих гусарских кутежах и боевой жизни, другой о приятности и выгодах службы под командою высокопоставленных лиц и т. п.
– О гвардия! – сказал Ростов. – А вот что, пошли ка за вином.
Борис поморщился.
– Ежели непременно хочешь, – сказал он.
И, подойдя к кровати, из под чистых подушек достал кошелек и велел принести вина.
– Да, и тебе отдать деньги и письмо, – прибавил он.
Ростов взял письмо и, бросив на диван деньги, облокотился обеими руками на стол и стал читать. Он прочел несколько строк и злобно взглянул на Берга. Встретив его взгляд, Ростов закрыл лицо письмом.
– Однако денег вам порядочно прислали, – сказал Берг, глядя на тяжелый, вдавившийся в диван кошелек. – Вот мы так и жалованьем, граф, пробиваемся. Я вам скажу про себя…
– Вот что, Берг милый мой, – сказал Ростов, – когда вы получите из дома письмо и встретитесь с своим человеком, у которого вам захочется расспросить про всё, и я буду тут, я сейчас уйду, чтоб не мешать вам. Послушайте, уйдите, пожалуйста, куда нибудь, куда нибудь… к чорту! – крикнул он и тотчас же, схватив его за плечо и ласково глядя в его лицо, видимо, стараясь смягчить грубость своих слов, прибавил: – вы знаете, не сердитесь; милый, голубчик, я от души говорю, как нашему старому знакомому.
– Ах, помилуйте, граф, я очень понимаю, – сказал Берг, вставая и говоря в себя горловым голосом.
– Вы к хозяевам пойдите: они вас звали, – прибавил Борис.
Берг надел чистейший, без пятнушка и соринки, сюртучок, взбил перед зеркалом височки кверху, как носил Александр Павлович, и, убедившись по взгляду Ростова, что его сюртучок был замечен, с приятной улыбкой вышел из комнаты.
– Ах, какая я скотина, однако! – проговорил Ростов, читая письмо.
– А что?
– Ах, какая я свинья, однако, что я ни разу не писал и так напугал их. Ах, какая я свинья, – повторил он, вдруг покраснев. – Что же, пошли за вином Гаврилу! Ну, ладно, хватим! – сказал он…
В письмах родных было вложено еще рекомендательное письмо к князю Багратиону, которое, по совету Анны Михайловны, через знакомых достала старая графиня и посылала сыну, прося его снести по назначению и им воспользоваться.
– Вот глупости! Очень мне нужно, – сказал Ростов, бросая письмо под стол.