Extended Memory Specification
Die Extended Memory Specification, kurz XMS, wurde von Microsoft für Windows 2.1 entwickelt.[1] Die Spezifikation normiert den Zugriff auf Arbeitsspeicher unter zu MS-DOS kompatiblem DOS oberhalb der 1-MB-Grenze des IBM PC. Dieser Speicher wird als extended memory bezeichnet, was meist mit „Erweiterter Speicher“ übersetzt wird. Im Gegensatz zu expanded memory, der beim originalen IBM PC von 1981 (und kompatiblen Computern) eine Speicherkarte voraussetzt und dessen Zugriff per Expanded Memory Specification (EMS) normiert ist, ist Erweiterter Speicher erst ab dem 80286-Prozessor von Intel, der ab dem IBM PC/AT von 1984 verwendet wird, im Betriebsmodus Protected Mode nutzbar,[2] da x86-Prozessoren seit diesem Prozessor mehr Adressleitungen besitzen und somit auch mehr Speicher direkt verwalten können. Die Verwaltung des Erweiterten Speichers bzw. auch XMS-Speichers übernimmt ein Extended Memory Manager (mit XMM abgekürzt).
Nach einer Übergangszeit, in der auf manchen 80286-Systemen und dank EMM386 auf allen 80386ern (und neuer) kompatiblen DOS-Anwendungen XMS-Speicher als EMS-Speicher zur Verfügung gestellt werden konnte, löste „Extended Memory“ (XMS) bis Mitte der 1990er Jahre „Expanded Memory“ (EMS) beinahe vollständig ab. Beide Speicherarten kommen auf dem IBM-kompatiblen PC nur unter DOS vor. Modernere 32-Bit-PC-Betriebssysteme verwenden das flat memory model (siehe Speichermodell) des Protected Mode, der auf der x86-Architektur bereits in den 1980er Jahren eingeführt wurde. Da sich allerdings MS-DOS lange Zeit auf dem IBM-kompatiblen PC als Standard-Betriebssystem halten konnte, konnte erst mit Windows 95, das noch voll DOS-kompatibel ist, eine langsame Ablöse zugunsten der Windows-Plattform erreicht werden, die schließlich Anfang der 2000er Jahre mit Windows XP ihr Ende fand.
Entwicklung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das Betriebssystem MS-DOS war für den Real Mode gedacht, ein 16-Bit-Betriebsmodus der x86-kompatiblen Mikroprozessoren, in dem der Hauptspeicherzugriff wie beim 8086er Prozessor erfolgt. In diesem Betriebsmodus kann nur das erste Mebibyte des Hauptspeichers angesprochen werden. Ab dem 80386 lässt sich diese Limitierung im undokumentierten Unreal Mode umgehen, was allerdings kein eigener Betriebsmodus, sondern als Programmiertrick zu bezeichnen ist.
Als die ersten PC/ATs von IBM ausgeliefert wurden, waren diese mit dem 80286er Prozessor versehen, der mehr Hauptspeicher ansprechen konnte. So kamen mit der Zeit auch PCs auf den Markt, die mit mehr als 1 MiB Hauptspeicher ausgerüstet waren. Inzwischen waren die 640 KB, die unter DOS für Anwendungsprogramme nutzbar waren, für viele Zwecke bereits zu klein geworden. Der Zugriff auf den erweiterten Speicher war jedoch schwierig, da der Prozessor hierfür in den Protected Mode geschaltet werden musste. Vom BIOS wurde zwar eine Funktion (über den Software-Interrupt 15hex) angeboten, mit der Speicherbereiche in den erweiterten Speicher kopiert werden konnte, doch der Umgang damit war umständlich und riskant. Auch gab es keinerlei Zugriffskontrolle, falls mehrere Programme auf den Speicher zugreifen wollten.
Deshalb wurde 1988 von den Firmen Lotus Development Corp., Intel Corp., Microsoft Corp. und AST Research Inc. eine Spezifikation erarbeitet, die den Zugriff auf den erweiterten Speicher steuern sollte.
Extended Memory Manager
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Für den Zugriff auf den Erweiterten Speicher nach XMS ist der Extended Memory Manager (XMM) zuständig. Dieser wurde anfangs auch mit „EMM“ abgekürzt, was allerdings zu oft mit dem Expanded Memory Manager, der für EMS-Speicher zuständig ist, verwechselt wurde. Über den Speichermanager können sich Anwendungsprogramme und Gerätetreiber Speicherbereiche im Erweiterten Speicher (XMS) reservieren lassen, Daten vom Konventionellen Speicher dort hinein und später wieder zurück kopieren, sowie den Speicher nach Gebrauch wieder freigeben.
Unter DOS muss der Extended Memory Manager als Gerätetreiber in der CONFIG.SYS beim Systemstart geladen werden. Dieser wurde als HIMEM.SYS in den späten 1980er Jahren erstmals mit Windows 2.1 ausgeliefert und ist nach dem HIMEM-Hack benannt, mit dem auch im Real Mode auf die ersten rund 64 KB über der 1-MiB-Grenze (die High Memory Area, HMA) zugegriffen werden kann. Seit MS-DOS 4.01 von 1988 ist HIMEM.SYS auch fixer Bestandteil von MS-DOS (IBM folgte mit PC DOS 5.0), aber auch bei anderen PC-kompatiblen DOS-Varianten ist meist ein kompatibler Extended Memory Manager enthalten, beispielsweise HIDOS.SYS in DR DOS 5.0.
Der XMM-Gerätetreiber muss beim Hochfahren des Rechners geladen werden. Über den Software-Interrupt 2Fhex kann der Einsprungpunkt für die Service-Routine des XMM ermittelt werden, über die der XMM seine Dienste anbietet.
Der Zugriff auf Speicherbereiche im XMS geschieht über sogenannte Handles, die der XMM beim Allozieren eines Speicherblocks zurückgibt. Um Speicherblöcke zwischen dem XMS und dem konventionellen Speicher hin und her zu kopieren, wird das spezielle XMS-Handle 000016 benutzt, um Speicheradressen im konventionellen Speicher anzugeben. XMS-Handles sind allerdings eine knappe Ressource, da der XMM für jedes Handle Verwaltungsdaten vorrätig halten muss. Üblich waren 32 Handles, die Anzahl kann allerdings je nach XMM auf bis zu 256 hochgesetzt werden.[3]
Für den Expanded Memory Manager auf x86-PC-Systemen mit 80386-Prozessor oder besser ist ein XMS-Speichermanager wie HIMEM.SYS meist Voraussetzung, um „Expansionsspeicher“ (Expanded Memory, EMS) simuliert bereitstellen zu können. Der EMS-Speichermanager EMM386 muss in der CONFIG.SYS daher immer nach HIMEM.SYS geladen werden.
Weiterentwicklung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die in XMS Version 1 und 2 definierten XMS-Funktionen benutzten 16-Bit-Werte, um Blockgrößen (in Kibibyte) anzugeben, was ausreichte, um maximal 64 MiB anzusprechen. Das war nicht nur auf 80286-Systemen, die ohnehin maximal 16 MiB Arbeitsspeicher adressieren können, mehr als ausreichend, sondern auch auf 80386-Systemen. Selbst 80486-Systeme von Anfang der 1990er Jahre mit 72-poligen SIMMs unterstützen normalerweise nicht mehr als 64 MiB RAM. Teure Workstation- oder Server-Platinen ab ca. 1992 konnten allerdings bereits 128 MiB RAM aufnehmen.
XMS 3.0 „Super Extended Memory“
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]1991 wurde die XMS 3.0 veröffentlicht, die den Zugriff auf mehr als 64 MiB Hauptspeicher möglich machte. Dies wurde damals auch Super Extended Memory genannt.[4] Die Funktionen wurden dazu auf 32-Bit-Register erweitert, die erst ab dem 32-Bit-80386-Prozessor zur Verfügung stehen.
Probleme
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Da zum Kopieren von Daten zwischen dem DOS-Speicher und dem erweiterten Speicher vorübergehend in den Protected Mode gewechselt werden muss, ist der Zugriff auf diesen Speicher vergleichsweise langsam, insbesondere auf 80286-Prozessoren, da diese zum Zurückschalten in den Real Mode das kontrollierte Zurücksetzen des Prozessors erfordern, der ebenfalls recht lange dauert. Auch das prinzipiell kaum sinnvolle Hin- und Herkopieren von Daten zwischen verschiedenen Speicherbereichen bremst XMS merklich aus. Auf einem 80286er ist daher EMS-Speicher („Expanded Memory“ oder „Expansionsspeicher“) in der Regel schneller als XMS-Speicher („Extended Memory“, „Erweiterter Speicher“, manchmal auch „hoher Speicher“), da das Einblenden eines 64-KiB-EMS-Fensters in den oberen Speicherbereich von DOS, die Upper Memory Area bzw. UMA, nur wenige Male und durch Hardware, wie den NEAT-Chipsatz, geschieht und dann der 80286 auf dieses 64-KiB-Fenster vom Real Mode aus, ohne in den Protected Mode schalten zu müssen, direkt zugreifen kann. Der auf dem 286er langsame Umschaltprozess entfällt damit weitgehend.[5]
Ab dem i386 kann der Erweiterte Speicher (XMS) alternativ auch dazu genutzt werden, um Expanded Memory (EMS) emuliert bereitzustellen. Da programmtechnisch die Nutzung von EMS-Speicher einfacher und auf dem 286er schneller als die von XMS-Speicher ist, waren DOS-Programme, die EMS-Speicher benutzten, häufiger. Einige speicherhungrige Anwendungsprogramme, aber auch PC-Spiele, die um 1990 erschienen, können mit beiden Speichererweiterungen umgehen. In den 1990er Jahren setzte sich XMS schließlich eindeutig durch, während ab Mitte der 1990er DOS an Bedeutung verlor. Windows-Programme sind von den DOS-Speichertypen nicht mehr betroffen.
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Quellen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Barry Simon: Memory Managers Open Up New Frontiers. In: PC Magazine. Band 11, Nr. 3. Ziff Davis, 11. Februar 1992, ISSN 0888-8507, S. 210, Memory Menagerie (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche): “When Microsoft introduced Windows, Version 2.10, it devised an extended memory specification known as XMS.”
- ↑ Barry Simon: Memory Managers Open Up New Frontiers. In: PC Magazine. Band 11, Nr. 3. Ziff Davis, 11. Februar 1992, ISSN 0888-8507, S. 208, Memory Management: Defining the Terms (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche): “extended memory – The memory above 1MB in a PC that is not configured for expanded memory. It can be used only by a 286, 386, or 486 processor running in protected mode. Extended memory was introduced on the IBM AT in 1984 but was initially used only for RAM disks. In recent years, Microsoft Corp.’s extended memory specification (XMS), which was developed for Microsoft Windows 2.1, has become the preferred way to use extended memory.”
- ↑ https://www.i8086.de/dos-befehle/himem-sys.html
- ↑ https://www.phatcode.net/res/219/files/xms30.txt
- ↑ https://www.pcplayer.de/archiv/data/1993/1993-02.pdf Extended Memory und Expanded Memory Mehr RAM PC Player 1992-02 S. 100