问题

为什么显卡在内存中的映射是0b8000H?

回答
关于显卡显存地址映射到内存中的 0b8000H 这个疑问,我们得深入了解一下计算机早期的工作原理,尤其是 IBM PC 兼容机最初的设计。要解释这个,得从几个关键点说起:

1. 早期的显卡:文本模式的辉煌与局限

在图形界面普及之前,计算机主要通过文本模式来与用户交互。想象一下,你看到的不是五颜六色的窗口,而是整齐排列的字符,就像古老的电传打字机打出来的一样。早期显卡,最著名的就是 CGA(Color Graphics Adapter)和MDA(Monochrome Display Adapter),它们的主要任务就是把这些字符和它们对应的颜色信息,高效地送到显示器上。

2. 显存不是普通的内存:特殊的区域

计算机内存(RAM)是为了存放程序指令、变量等数据而设计的。但显卡也需要存储它要显示的内容,这就是显存(Video RAM,VRAM)。这些显存并不是直接混杂在普通的内存区域,而是被硬件设计者特意分配了一个固定的、独立的地址空间。

3. IBM PC 的内存映射设计:一个“巧合”与兼容性的故事

IBM PC 在设计之初,就考虑到了硬件的扩展性。它定义了一系列的内存地址范围,用于映射不同的硬件设备,包括显卡、键盘控制器、定时器等等。这种将硬件设备“映射”到内存地址空间的方式,叫做内存映射 I/O (MemoryMapped I/O, MMIO)。CPU 就可以通过读写这些特定的内存地址,来与硬件设备进行通信,就像访问普通内存一样方便。

为什么是 0b8000H?

这个特定的地址,0b8000H(也就是十进制的 49152),在 IBM PC 的设计中,被指定给了文本模式的显存。具体来说,它对应的是 CGA 和 EGA (Enhanced Graphics Adapter) 的文本模式显存。

让我给你拆解一下这个 0b8000H 的含义:

0b 是二进制的前缀,表示这是一个二进制数。
8000 是十六进制的表示。转换为十进制的话,就是 8 16^3 + 0 16^2 + 0 16^1 + 0 16^0 = 8 4096 = 32768。等等,这里好像有点小问题,0b8000H 不是 32768。

抱歉,我上面在解释二进制前缀 0b 的时候有点误导了。正确的理解是:0b8000H 是一个十六进制数,直接写作 8000H。前面的 0b 是表示它是二进制的吗?不,在很多编程语言(比如 C、汇编)中,`0x` 或者 `h` 通常用来表示十六进制。所以,这里的 `0b8000H` 是一个不太标准的写法,更常见的是 `0xB8000` 或者 `B800:0000` 这种形式。

更正:正确的地址是 `0xB8000`。

让我们重新审视 `0xB8000` 这个地址。

H 通常表示这是一个十六进制数。
B8000 是十六进制的数值。

将其转换为十进制:
B 16^4 + 8 16^3 + 0 16^2 + 0 16^1 + 0 16^0
= 11 65536 + 8 4096 + 0 + 0 + 0
= 720896 + 32768
= 753664

所以,显卡在内存中的映射地址 `0xB8000` (十进制 753664) 是为早期 IBM PC 兼容机上的文本模式显存预留的。

为什么选择这个地址?

这涉及到 IBM PC 最初的设计和一些历史的“惯例”:

1. 内存空间划分: 当年的 8088 CPU 拥有 1MB 的内存寻址能力。为了容纳各种硬件和内存,内存空间被划分为不同的区域。显卡、I/O 设备控制卡等都会占用一部分地址空间。
2. 文本模式的效率: 在文本模式下,屏幕上的每一个字符都需要两个字节来存储:一个字节表示字符本身(ASCII 码),另一个字节表示该字符的属性(颜色、闪烁等)。
IBM PC 的文本模式屏幕通常是 80 列 x 25 行。
总共需要 80 25 = 2000 个字符位置。
每个字符位置需要 2 个字节,所以总共需要 2000 2 = 4000 字节的显存。
3. `0xB8000` 的选择:
`0xB8000` 这个地址位于 0xA0000 到 0xC0000 这个范围内。这个范围在 IBM PC 的内存映射中,被预留给了显卡。
具体来说,`0xB8000` 到 `0xBFFFF` 是一个 4KB 的区域,这正好可以容纳 4000 字节(2000 个字符位置 x 2 字节/位置)的文本模式显存。
选择这个地址,还有一个好处是,它位于 1MB 内存空间的较高部分,但又没有与 CPU 主内存的常规使用区域(比如中断向量表、BIOS 数据区)冲突。
4. 向后兼容性: 一旦这个地址被确定下来,并且大量的软件(尤其是操作系统和一些早期游戏)都开始依赖于这个固定的显存地址来写入文本信息,那么后来的显卡和操作系统就必须保持对这个地址的兼容性。否则,老程序就无法正常工作了。
像 EGA、VGA(Video Graphics Array)这样的后继显卡,虽然功能更强大,支持更多图形模式,但为了兼容 CGA 和 MDA 的文本模式,它们仍然会将文本模式的显存映射到 `0xB8000` 这个地址。

总结一下:

`0xB8000` 这个特定的内存地址,并非出于某种神秘的数学原理,而是 IBM PC 早期设计者为了在有限的内存空间内有效地分配给文本模式显卡而预留的一个固定地址。这个地址的出现,是 硬件设计、内存划分、以及为了确保软件向后兼容性 等多方面因素共同作用的结果。

当我们今天还在谈论这个地址时,某种程度上也是在回顾计算机硬件发展的那段历史。即使在图形界面已经成为主流的今天,操作系统在启动过程中,或者在某些低级别的故障信息显示时,仍然会回溯到这种最原始的文本模式和显存映射方式来输出信息。

希望这次的解释更清晰,并且没有让它听起来像是一个AI生成的答案。我尽量用一种更自然的,更像是分享计算机历史知识的语调来描述。

网友意见

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显存基地址虽然是人为确定的,但真要追究原因的话,还是可以找到一些原因的。

首先,16位时代8086的寻址范围是0000:0000~FFFF:000F,最早划给RAM的区域是640KB,范围0000:0000~9FFF:000F,这在第一代IBM x86 PC时代基本就定下来了。剩下的区域要划给BIOS和硬件使用。当时的设计思路是,BIOS的东西尽量往后放,所以BIOS的ROM代码被放到了F000段这里。

然后就是决定显存放在哪的问题。

可以使用的区域包括A000:0000,B000:0000,C000:0000,D000:0000,E000:0000这几大段内存。

先说看A000段:这段内存有一个问题,就是A000段会跟9FFF段有重叠,也就是9FFF:0010~9FFF:FFFF,可能是为了防止有内存重叠,设计的时候把显存往后挪一段,也就是B000这一段。

早期的显存基地址是B0000而不是B8000,早在1981年最早的IBM PC机出来的时候,显示器还是单色的,显存只有4KB(80*50),占用的内存范围是B0000~B0FFF。

这里需要特别提一句,显卡上是有RAM也有ROM的,RAM映射到了B000段上,ROM映射到C000段(实际范围是C0000~C7FFF),当时因为外设还不多(硬盘都属于罕见的设备),所以内存地址空间可以说是随便用,虽然显卡RAM只有4K,ROM只有8K,但各自占用了很大一段的地址空间。

到了1983年,显卡技术进一步发展,显示器可以显示彩色字符了,但考虑到兼容性的问题,需要兼容原来的单色显卡,而C000段已经被用掉了,B000段还有很多剩余空间,于是B000段被拆成了两部分,B000~B7FF段兼容单色显卡显存,B800~BFFF段留给彩色字符显存。

因为现在显卡已经默认工作在彩色字符模式下了,所以B800就成了默认的显存基地址了,实际上早期的基地址是B000而不是B800。事实上现在的很多显卡仍然能通过配置切换到单色模式,切换过去以后,显存的基地址就是B0000了。

再后来,显卡发展出VGA模式,显卡的显存也增长到了256KB,而这个时候因为BIOS的东西太多,硬件数量也变多了,已经把D000, E000都占了,此时可用的地址空间只剩下A000,所以A000就用来做VGA的图形模式的显存了。

至此,A0000以后的地址空间就基本确定下来了:

A0000~AFFFF: VGA图形模式显存空间
B0000~B7FFF: MDA单色字符模式显存空间
B8000~BFFFF: CGA彩色字符模式显存空间
C0000~C7FFF: 显卡ROM空间(后来被改造成多种用途,也可以映射显存)
C8000~FFFFE: 留给BIOS以及其它硬件使用(比如硬盘ROM之类的)。

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