Рабочая концепция фирмы IBM при создании IBM PC содержала гипотезу, что объем основной памяти ЭВМ, предназначенной для персонального использования не должен превышать 640 Кбайт. Поэтому в базовую модель IBM PC заложили 20-разрядную шину адреса системной магистрали. Наличие 20 линий в шине адреса позволяло адресовать память большего объема, чем было предусмотрено концепцией (220 = 1 Мбайт). «Излишек» адресного пространства в 384 Кбайт был поделен между видеопамятью (128 Кбайт) и ПЗУ (256 Кбайт).
Чтобы физически увеличить объем памяти необходимо подключить к системной магистрали дополнительные модули. Каждый байт дополнительной памяти должен иметь уникальный адрес, а адресного пространства для дополнительной памяти нет.
Существует несколько способов разрешения таких проблем. Один из них - банкирование памяти: вся память делится на блоки (банки), емкость которых не выходит за пределы допустимого адресного пространства; во время работы специальными командами можно переключать банки, делая активным любой из них или осуществляя групповую перепись информации из одного банка в другой.
В IBM PC XT фирма IBM применила другой способ: 256 Кбайт было сначала оставлено для ПЗУ, в котором размещалась базовая система ввода-вывода (BIOS). Анализ программ BIOS показал, что в оставленном для ПЗУ адресном пространстве (UMB - Upper Memory Block) имеются «окна» - неиспользуемые участки. Четыре таких участка (paqe frames) по 16 Кбайт были выделены и их адреса стали использоваться для адресации дополнительной памяти, подключенной к системной магистрали. Таким образом, общий объем ОП удалось увеличить на 64 Кбайта. Специальная программа (драйвер дополнительной памяти) «перехватывала» обращение к «окнам» ПЗУ и вместо них «подставляла» дополнительный модуль памяти (Expended Memory).
Дополнительная память не обязательно должна была иметь объем 64 Кбайта. Ее объем мог быть и большим (фирма IBM выпускала модули дополнительной памяти объемом 8 и 32 Мбайта). При этом драйвер дополнительной памяти делил ее на блоки по 16 Кбайт и «отображал» каждое окно UMB на один из блоков Expended Memory. Из-за этого память такого вида получила название отображаемой.
Но развитие персональных ЭВМ привело к необходимости более серьезной корректировки рабочей концепции. Поэтому в IBM AT с микропроцессором i80286 разрядность шины адреса увеличили до 24, что позволило увеличить объем ОП до 16 Мбайт. В МП i80386 разрядность шины адреса и адресных регистров микропроцессора увеличена до 32, в результате чего допустимый объем ОП увеличился до 4 Гбайт. Изменился принцип формирования абсолютного адреса ОП, в результате чего утрачена совместимость с программным обеспечением, разработанным для IBM PC XT. Чтобы обеспечить совместимость AT с XT, было решено реализовать два режима работы микропроцессоров, имеющих номер, больший 80286: реальный и защищенный.
В реальном режиме работают только 20 шин адреса системной магистрали, а дополнительные разряды шины адреса заблокированы, что обеспечивает совместимость с микропроцессором i8086 и позволяет использовать операционную систему MS DOS и программное обеспечение, разработанное для XT. Но при этом остается неиспользованной вся дополнительная память, находящаяся за пределами 1 Мбайта.
В защищенном режиме применяется другой принцип формирования абсолютного адреса ОП, благодаря чему возможно использование всей имеющейся в наличии дополнительной (расширенной) памяти, но возникают трудности с использованием программного обеспечения, разработанным для MS DOS.
В IBM PC XT 20-битный адрес формировался из двух машинных слов: базового адреса сегмента (16 бит) и смещения (16 бит). Это было связано с тем, что вся ОП делилась на сегменты емкостью по 64 Кбайта. Адресация байтов внутри сегмента начиналась с О и заканчивалась адресом FFFF. Внутрисегментный адрес байта называется смещением (т.е. смещением относительно начала сегмента). Начало же сегмента (т.е. его базовый 20-битный адрес) однозначно определялся 16-битным адресом, который преобразовывался в 20-битный адрес дописыванием справа четырех нулей. В машинных командах абсолютный (физический) адрес задавался либо прямым указанием базового адреса сегмента и смещения (которые разделялись двоеточием, например, 0A12:F4B2, где 0А120 - 20-битный адрес начала сегмента; F4B2 - 16-битное смещение внутри сегмента), либо по умолчанию (базовые адреса сегментов программы, данных, стека запоминаются в специальных регистрах микропроцессора), либо указанием регистра, в котором содержится необходимый базовый адрес (например, если регистр называется CS, то абсолютный адрес в машинной команде может быть задан в виде: CS : F4B2).
Начиная с МП i80386 благодаря увеличению длины всех регистров для смещений до 32 бит реализована возможность работы «с плоской памятью», не разделяемой на сегменты. Это допускает адресацию 232 байт или 4 Гбайт ОП. Физический адрес основной памяти при этом стал иметь длину 4 байта (или 8 шестнадцатеричных символов, например 729bd000).
Желание использовать в реальном режиме всю фактически имеющуюся в наличии дополнительную память привело к созданию двух виртуальных режимов, один из которых - стандарт EMS (Expended Memory Specifications - спецификация расширенной памяти), реализующий принцип банкирования дополнительной памяти. Вся дополнительная память делится на страницы (банки), емкостью по 16 Кбайт; выбираются четыре страницы и объявляются активными. Выбранные активные страницы отображаются на четыре окна UMB, теперь при обращении к одному из окон UMB вместо него подставляется отображенная на него страница дополнительной памяти. Поскольку любое окно UМВ можно отобразить на любую страницу дополнительной памяти (объявив ее активной), то изменяя отображение в процессе работы, можно использовать всю дополнительную память любого объема.
Стандарт EMS реализуется программным путем - с помощью драйвера дополнительной памяти, который «перехватывает» каждое обращение к окну, имеющемуся в адресном пространстве ПЗУ и «подставляет» вместо ПЗУ соответствующий участок дополнительной памяти.
В соответствии с этим стандартом работают драйверы XMA2EMS.SYS, EMM386.SYS и др.
Стандарт EMS несколько снижает производительность системы, но не накладывает никаких ограничений на размещение в дополнительной памяти программ и данных.
Другой виртуальный режим основан на том, что за счет разблокирования на время дополнительных (по сравнению с XT) линий шины адреса системной магистрали удается увеличить доступное MS DOS адресное пространство еще почти на 64 Кбайта, начиная с адреса FFFFF (т.е. за пределами адресного пространства 1 Мбайт). Эта область адресного пространства (64 Кбайта, начиная с 1 Мбайта) получила название НМА (Hiqh Memory Area) старшая область памяти. Ее также можно использовать, работая в MS DOS, для хранения и программ, и данных.
Блоки памяти, расположенные выше границы НМА, называются ЕМВ (Extended Memory Blocks) дополнительные блоки памяти, хотя часто дополнительной памятью (ЕМ - Extended Memory) называют всю дополнительную память, расположенную в адресном пространстве выше 1 Мбайта, иногда выделяя в ней область НМА.
Кратковременное разблокирование дополнительных линий шины адреса системной магистрали позволяет реализовать стандарт XMS (extended Memory Specification - спецификация дополнительной памяти), при котором разделенная на страницы ЕМ отображается на НМА, но в этом стандарте программные модули могут располагаться только в НМА, а остальная память может использоваться лишь для хранения данных. Стандарт ХМА реализуется драйвером HIMEM.SYS, который способен работать с шиной адреса, имеющей до 32 линий.