в чем отличия страничной и сегментной адресации
Сравнение сегментной и страничной организации
Оба рассмотренных способа организации виртуальной памяти имеют свои достоинства и недостатки.
К преимуществам сегментной организации в литературе обычно относят следующие.
· Легко можно указать режим доступа к сегменту в зависимости от смысла его данных. Например, сегмент кода программы обычно должен быть доступен только для чтения, а сегмент данных может быть доступен и для записи.
· В том случае, если программа работает с двумя или более структурами данных, каждая из которых может увеличиваться в размерах независимо от других, выделение отдельного сегмента для каждой структуры позволяет освободить программиста от забот, связанных с размещением структур в имеющейся памяти (эти проблемы перекладываются на ОС, которая обязана будет найти место в физической памяти для увеличивающихся сегментов).
· Гораздо реже называется еще одна, более прозаическая причина использования сегментов, которая на самом деле в определенный период являлась очень веской. Если в используемой архитектуре компьютера разрядность адреса в командах слишком мала (например, 16 разрядов, как у процессоров i286, что позволяет адресовать всего лишь 64 Кб), а размер программы и ее данных достигает многих мегабайт, то единственное решение – использовать много сегментов по 64 Кб.
Для современных процессоров разрядность адреса составляет 32 или даже 64 бита, что снимает необходимость возиться с большим количеством мелких сегментов. При этом на первый план выходят достоинства страничной организации:
· программист не должен вообще думать о разбиении программы и ее данных на части ограниченного размера (сегменты), в его распоряжении единое пространство виртуальных адресов;
· исключается возможность фрагментации физической памяти и связанные с этим проблемы;
· как правило, уменьшается обмен данными с диском, поскольку в него включаются только отдельные страницы, а не целые сегменты.
Для сравнительной оценки сегментной и страничной организации полезно также вспомнить историю развития версий Windows. Версия Windows 2.0 была ориентирована на процессор i286, имевший сегментную организацию памяти с 16-разрядным смещением в сегменте. В эти годы фирмы Intel и Microsoft активно защищали сегментную модель, подчеркивая ее достоинства. Однако в Windows 3.0 были уже частично использованы новые возможности процессора i386, а именно, страничная организация памяти. Поскольку эта версия по-прежнему была основана на 16-разрядных адресах, использование сегментов оставалось необходимым, что привело к сложной сегментно-страничной модели памяти. Зато переход к 32-разрядным версиям Windows NT и Windows 95 сопровождался фактическим отказом от использования сегментного механизма в пользу чисто страничной организации памяти. Формально же теперь все адресное пространство пользователя укладывается в один очень большой сегмент размером 4 Гб.
Большим преимуществом использования виртуальной памяти, как в сегментном, так и в страничном варианте, является возможность легко и просто изолировать процессы в памяти. Для этого достаточно, чтобы система не отображала никакие виртуальные страницы двух разных процессов на одну и ту же физическую страницу. Тогда процессы просто «не будут видеть» друг друга в памяти и не смогут повредить друг другу.
С другой стороны, в некоторых ситуациях желательно, чтобы два или более процессов имели доступ к общей области памяти. Это дает, например, возможность хранить в памяти единственный экземпляр системных библиотек, которым могут пользоваться несколько процессов. Для создания общей памяти достаточно, чтобы виртуальные страницы всех заинтересованных процессов отображались на одни и те же страницы физической памяти.
Дата добавления: 2015-09-07 ; просмотров: 713 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти.
Сегментное, страничное и сегментно-страничное распределение– это распределение с использованием внешней памяти.
Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью.
Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками).
Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки: 512, 1024 и т.д., это позволяет упростить механизм преобразования адресов.
Рис. 2.12. Страничное распределение памяти
При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса.
При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.
В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них следующие:
— дольше всего не использовавшаяся страница,
— первая попавшаяся страница,
— страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений.
В некоторых системах используется понятие рабочего множества страниц. Рабочее множество определяется для каждого процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому не подлежат выгрузке.
После того, как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации (из таблицы страниц). Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, то есть соответствующая физическая страница объявляется свободной.
Рассмотрим механизм преобразования виртуального адреса в физический при страничной организации памяти (рисунок 2.13).
Виртуальный адрес при страничном распределении записывается в виде пары чисел (P, Sv) (P – порядковый номер виртуальной страницы, начиная с 0, Sv – смещение в пределах виртуальной страницы).
Физический адрес записывается в виде пары чисел (n, Sf) (n – порядковый номер физической страницы, начиная с 0, Sv – смещение в пределах физической страницы).
Для преобразования адресов исполбзуются особые свойства стпаничной организации:
10 0110011001 2 10 –размер страницы
2) В пределах страницы последовательность виртуальный адресов однозначно отображается с последовательностью физических адресов
Схема преобразования адресов
Произошло обращение к некоторому виртуальному адресу. Процессор выполняет следующие действия:
1) Из специального регистра процессора извлекается адрес AT – таблицы страниц процессов. На основании начального адреса таблицы страниц, номера виртуальной страницы P (старшие разряды) и длины одной записи в таблице страниц (l) определяется адрес нужного дескриптора в таблице
2) Из дескриптора извлекается номер соответствующей физической страницы n.
3) К номеру физической страницы при соединяется смещение S (младшие разряды).
1) Простота пересчета адресов
2) Небольшой объем страниц
3) Относительная простота метода
1) Не учет содержимого разбиваемых данных
При страничной организации виртуальное адресное пространство процесса делится механически на равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свойство часто бывает очень полезным. Например, можно запретить обращаться с операциями записи и чтения в кодовый сегмент программы, а для сегмента данных разрешить только чтение. Кроме того, разбиение программы на «осмысленные» части делает принципиально возможным разделение одного сегмента несколькими процессами. Например, если два процесса используют одну и ту же математическую подпрограмму, то в оперативную память может быть загружена только одна копия этой подпрограммы.
Рассмотрим, каким образом сегментное распределение памяти реализует эти возможности (рисунок 2.14). Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда сегментация программы выполняется по умолчанию компилятором.
При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре.
Рис. 2.14. Распределение памяти сегментами
Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.
Недостатком данного метода распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное по сравнению со страничной организацией преобразование адреса.
Как видно из названия, данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памяти и, вследствие этого, сочетает в себе достоинства обоих подходов. Виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется операционной системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть на диске. Для каждого сегмента создается своя таблица страниц, структура которой полностью совпадает со структурой таблицы страниц, используемой при страничном распределении. Для каждого процесса создается таблица сегментов, в которой указываются адреса таблиц страниц для всех сегментов данного процесса. Адрес таблицы сегментов загружается в специальный регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс. На рисунке 2.15 показана схема преобразования виртуального адреса в физический для данного метода.
Рис. 2.15. Схема преобразования виртуального адреса в физический для сегментно-страничной организации памяти
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Вопрос № 8 Сегментная и страничная адресация памяти
Сегментация при работе с ПЭВМ в защищенном режиме реализует функции защиты памяти, а в сочетании со страничным механизмом, по существу, представляет собой средство организации виртуальной памяти. Средства управления памятью в ПЭВМ разделены на две части: механизм сегментации и страничный механизм.
Сегментация обеспечивает изоляцию отдельных модулей программ, данных и стека так, что несколько программ (или задач), могут выполняться на одном и том же процессоре без влияния друг на друга.
Страничный механизм обеспечивает реализацию традиционной виртуальной системы памяти со страничными запросами, при котором исполнительное окружение программы отображается на физическую память. Страничный механизм также может использоваться и для изоляции различных задач.
При работе в защищенном режиме сегментация обязательно используется, так как нет средств для ее отключения. Страничный механизм, напротив, не является обязательным. Два этих механизма можно сконфигурировать для поддержки простых однопрограммных (или однозадачных) систем, многозадачных систем или многопроцессорных систем, разделяющих общую память.
Особенностью архитектуры процессоров INTEL 8086, 80286, 80386, 80486 является использование механизма сегментации адресного пространства.
Однако быстро растущие потребности программ в оперативной памяти привели к необходимости расширения адресного пространства. Следующий микропроцессор 8086 имел уже 20 адресных линий, что позволило непосредственно адресовать до мегабайта оперативной памяти. Архитектурное решение этого микропроцессора позволило легко адаптировать накопленное в большом количестве программное обеспечение для микропроцессора 8080.
Микропроцессор 8086 является шестнадцатиразрядным, поэтому использование двадцатиразрядного адреса в 16-разрядных командах неэффективно. Вместо указания в командах полного 20-разрядного адреса используется двухкомпонентная адресация, причем каждая компонента использует только 16 разрядов.
Эти компоненты называются сегментной компонентой адреса и компонентой смещения. Логический 20-разрядный адрес получается сложением двух компонент, причем сегментный адрес перед сложением умножается на 16 (сдвигается влево на 4 разряда). Сложение и сдвиг выполняется аппаратно, поэтому на формирование 20-разрядного адреса дополнительно время не затрачивается.
На рисунке показано, как в процессоре 8086 происходит формирование 20-разрядного адреса из адреса сегмента и смещения:
¦ Сегментный адрес ¦ 0 0 0 0 ¦
¦ Полный 20-разрядный адрес ¦
Адрес сегмента сдвигается влево на 4 бита с заполнением младших битов нулями, смещение расширяется до 20 битов и складывается со сдвинутым адресом сегмента. Например, если адрес сегмента равен 1234h, а смещение равно 1116h, то полный 20-разрядный адрес будет 12340h + 01116h = 13456h.
Таким образом, оперируя 16-разрядными адресами сегмента и смещением, процессор может адресовать мегабайт памяти. Для хранения сегментных адресов и смещений процессор имеет специальные регистры.
Каждая выполняющаяся программа в любой момент времени может адресоваться сразу к четырем сегментам памяти. Это сегмент кода, сегмент данных, дополнительный сегмент данных, сегмент стека. Сегмент кода содержит выполняющиеся машинные команды, сегменты данных и дополнительных данных используются для размещения используемых программой переменных, массивов и других структур данных, сегмент стека используется при вызове подпрограмм.
Сегменты могут перекрываться или не перекрываться.
Для хранения сегментных адресов процессор имеет 4 сегментных регистра: CS, DS, ES, SS. Эти регистры содержат соответственно адреса сегментов кода, данных, дополнительных данных и стека.
При адресации выполняющегося кода вместе с регистром CS используется регистр смещения IP. Пара регистровCS:IP всегда указывает на текущую выполняющуюся команду.
Адресация данных возможна относительно любого сегментного регистра. При этом смещение может указываться как непосредственно в команде, так и с помощью регистров. Программа должна сама следить за правильной загрузкой и использованием сегментных регистров.
Основное применение страничного преобразования адреса – организация виртуальной памяти. Виртуальная память позволяет использовать программам больший объем памяти, чем установленный на компьютере физический объем памяти. Остальная информация может быть сброшена на внешний носитель.
Управление страничным разбиением памяти обычно возлагается на специальную микросхему MMU (Memory Management Unit – устройство управления памятью). В микропроцессоре i80486 и выше это устройство встроено в процессор.
Страничное управление (Paging) является средством организации виртуальной памяти с подкачкой страниц по запросу (Demand-Paged Virtual Memory). В отличие от сегментации, которая организует программы и данные в модули различного размера, страничная организация оперирует с памятью, как с набором страниц одинакового размера. В момент обращения страница может присутствовать в физической оперативной памяти, а может быть выгруженной на внешнюю (дисковую) память. При обращении к выгруженной странице памяти процессор вырабатывает исключение #PF – отказ страницы, а программный обработчик исключения (часть ОС) получит необходимую информацию для свопинга – «подкачки» отсутствующей страницы с диска.
При разрешенном страничном преобразовании физическая память компьютера разбивается на страницы. Иногда страницы называют страничными кадрами – page frame – размером 4 Кбайт. Поскольку часть страниц находится вне физической памяти, предусмотрен механизм замены страниц по требованию. Это позволяет программам использовать для своих нужд все линейное адресное пространство, не заботясь о том, занята ли физическая память другими процессами.
Границы сегментов и страниц могут не совпадать. Однако желательно, для повышения производительности системы, выравнивать границы сегментов на границы страничного кадра.
В отличие от сегмента, для страниц есть только два уровня привилегий:
— пользовательский (User) – системный программный уровень 3
— супервизора (Supervisor) – системный программный уровень 0,1,2
ФОРМИРОВАНИЕ АДРЕСА ПРИ СТРАНИЧНОМ ПРЕОБРАЗОВАНИИ.
Для уменьшения размера таблицы страниц предусмотрена двухуровневая схема преобразования адреса. Основой страничного преобразования служит регистр управления CR3, содержащий 20-ти битный физический базовый адрес каталога страниц текущей задачи. Предполагается, что каталог выровнен по границе страничного кадра, постоянно находится в памяти и не участвует в свопинге.
Механизм имеет три части:
— каталог страниц (Page Directory) – корневая страница, которая содержит 1024 32-х битных дескриптора, называемых элементами каталога страниц – PDE (Page Directory Entry). Каждый из них адресует подчиненную таблицу страниц.
— таблицы страниц (Page Table) – каждая из этих таблиц содержит 1024 32-х битных дескриптора, называемых элементами таблицы страниц – PTE (Page Directory Entry). Каждый PTE содержит адрес страничного кадра в физической памяти.
— Страницы (Page Frame).
Механизм включается установкой бита PG=1 в регистре CR0. Регистр CR2 хранит линейный адрес отказа (Page Fault Linear Address) – адрес памяти, по которому был обнаружен последний отказ страницы. Регистр CR3 хранит физический адрес каталога страниц (Page Directory Physical Base Address). Его младшие 12 бит всегда нулевые, т.к. каталог выравнивается по границе страницы.
Каталог страниц, размером 4 Кбайт содержит 1024 32-х битных строки PDE. Каждая строка PDE (см.рис.) содержит 20 старших бит адреса таблицы следующего уровня (младшие биты этого адреса всегда нулевые) и признаки (атрибуты) этой таблицы. Индексом поиска в каталоге страниц являются 10 старших бит линейного адреса (А22-А31)
 |
Каждая таблица страниц также имеет 1024 строки PTE аналогичного формата (см.рис.), но эти строки содержат базовый физический адрес (Page Frame Address) и атрибуты самих страниц. Индексом поиска в таблице являются биты А12-А21 линейного адреса.
Физический адрес получается из адреса страницы, взятого из таблицы, и младших 12 бит линейного адреса.
Строки каталога и таблиц имеют следующие биты атрибутов:
P (Present) – бит присутствия.Разрешает использования таблицы страниц или кадра страницы при P=1. Если же P=0, то обращение к соответствующему разделу или странице запрещено и попытка их использования вызовет прерывание типа 14 (отсутствие доступа к странице). Отметим, что при P=0 остальные биты доступны операционной системе и могут использоваться для получения информации о местонахождении данной таблицы.
R/W – бит чтения/записи и U/S – бит пользователя/супервизора.Эти биты определяют права доступа к соответствующему разделу или странице для программ пользователя, имеющих минимальные уровни привилегий (системный программный уровень 3). Если осуществляется запрос с уровнем привилегий 3 (программы пользователя), то при значении U/S=0 ему запрещается доступ к соответствующему разделу или кадру страницы. Если U/S=1, то при значении R/W=0 разрешается только чтение раздела или страницы, а при R/W=1 – и чтение, и запись. При запросах с бОльшими привилегиями (системные программные уровни 0,1,2) допускается запись и чтение разделов и страниц при любых значения U/S, R/W.
PWT и PCD –эти биты используются для управления работой кэш-памяти при страничной адресации. (Эти биты отсутствуют в указателях, используемых микропроцессором 80386).
A (Accessed) – бит доступа.Автоматически устанавливается микропроцессором в состояние А=1 при обращении к данному разделу или странице для записи или чтения информации.
D (Dirty) – бит модификации.Этот бит в указателе кадра страницы устанавливается в состояние D=1 при записи на данную страницу. Таким образом, помечается использованная, «грязная» страница, которую в случае замещения необходимо выгрузить на диск.
PS (Page Size) –задает размер страницы (только в POE (Power Over Ethernet) – технология, позволяющая передавать сетевую информацию и одновременно обеспечивать питание Ethernet устройств). При PS=0 имеет размер 4 Кбайт, PS=1 используется в расширениях PAE* и PSE*.
OS Reserved – доступно. Зарезервированы для операционной системы, которая может использовать их для размещения информации о времени последнего обращения к данному разделу или странице. Эта информация используется для определения разделов и страниц, подлежащих замене из внешней памяти.
Сегментная и сегментно-страничная организация памяти
Существуют две другие схемы организации управления памятью: сегментная и сегментно-страничная. Сегменты, в отличие от страниц, могут иметь переменный размер. Идея сегментации изложена во введении. При сегментной организации виртуальный адрес является двумерным как для программиста, так и для операционной системы, и состоит из двух полей – номера сегмента и смещения внутри сегмента. Подчеркнем, что в отличие от страничной организации, где линейный адрес преобразован в двумерный операционной системой для удобства отображения, здесь двумерность адреса является следствием представления пользователя о процессе не в виде линейного массива байтов, а как набор сегментов переменного размера (данные, код, стек. ).
Программисты, пишущие на языках низкого уровня, должны иметь представление о сегментной организации, явным образом меняя значения сегментных регистров (это хорошо видно по текстам программ, написанных на Ассемблере). Логическое адресное пространство – набор сегментов. Каждый сегмент имеет имя, размер и другие параметры (уровень привилегий, разрешенные виды обращений, флаги присутствия). В отличие от страничной схемы, где пользователь задает только один адрес, который разбивается на номер страницы и смещение прозрачным для программиста образом, в сегментной схеме пользователь специфицирует каждый адрес двумя величинами: именем сегмента и смещением.
Каждый сегмент – линейная последовательность адресов, начинающаяся с 0. Максимальный размер сегмента определяется разрядностью процессора (при 32-разрядной адресации это 2 32 байт или 4 Гбайт). Размер сегмента может меняться динамически (например, сегмент стека). В элементе таблицы сегментов помимо физического адреса начала сегмента обычно содержится и длина сегмента. Если размер смещения в виртуальном адресе выходит за пределы размера сегмента, возникает исключительная ситуация.
Логический адрес – упорядоченная пара v=(s,d), номер сегмента и смещение внутри сегмента.
В системах, где сегменты поддерживаются аппаратно, эти параметры обычно хранятся в таблице дескрипторов сегментов, а программа обращается к этим дескрипторам по номерам-селекторам. При этом в контекст каждого процесса входит набор сегментных регистров, содержащих селекторы текущих сегментов кода, стека, данных и т. д. и определяющих, какие сегменты будут использоваться при разных видах обращений к памяти. Это позволяет процессору уже на аппаратном уровне определять допустимость обращений к памяти, упрощая реализацию защиты информации от повреждения и несанкционированного доступа.
Рис. 8.8. Преобразование логического адреса при сегментной организации памяти
Аппаратная поддержка сегментов распространена мало (главным образом на процессорах Intel). В большинстве ОС сегментация реализуется на уровне, не зависящем от аппаратуры.
Хранить в памяти сегменты большого размера целиком так же неудобно, как и хранить процесс непрерывным блоком. Напрашивается идея разбиения сегментов на страницы. При сегментно-страничной организации памяти происходит двухуровневая трансляция виртуального адреса в физический. В этом случае логический адрес состоит из трех полей: номера сегмента логической памяти, номера страницы внутри сегмента и смещения внутри страницы. Соответственно, используются две таблицы отображения – таблица сегментов, связывающая номер сегмента с таблицей страниц, и отдельная таблица страниц для каждого сегмента.
Рис. 8.9. Упрощенная схема формирования физического адреса при сегментно-страничной организации памяти
Сегментно-страничная и страничная организация памяти позволяет легко организовать совместное использование одних и тех же данных и программного кода разными задачами. Для этого различные логические блоки памяти разных процессов отображают в один и тот же блок физической памяти, где размещается разделяемый фрагмент кода или данных.
Заключение
В настоящей лекции описаны простейшие способы управления памятью в ОС. Физическая память компьютера имеет иерархическую структуру. Программа представляет собой набор сегментов в логическом адресном пространстве. ОС осуществляет связывание логических и физических адресных пространств. В последующих лекциях будут рассматриваться современные решения, связанные с поддержкой виртуальной памяти.
9. Лекция: Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти: версия для печати и PDA
Рассмотрены аппаратные особенности поддержки виртуальной памяти. Разбиение адресного пространства процесса на части и динамическая трансляция адреса позволили выполнять процесс даже в отсутствие некоторых его компонентов в оперативной памяти. Следствием такой стратегии является возможность выполнения больших программ, размер которых может превышать размер оперативной памяти. 
В этой и следующей лекциях речь пойдет о наиболее распространенной в настоящее время схеме управления памятью, известной как виртуальная память, в рамках которой осуществляется сложная связь между аппаратным и программным обеспечением. Вначале будут рассмотрены аппаратные аспекты виртуальной памяти, а затем вопросы, возникающие при ее программной реализации.
Понятие виртуальной памяти
Разработчикам программного обеспечения часто приходится решать проблему размещения в памяти больших программ, размер которых превышает объем доступной оперативной памяти. Один из вариантов решения данной проблемы – организация структур с перекрытием – рассмотрен в предыдущей лекции. При этом предполагалось активное участие программиста в процессе формирования перекрывающихся частей программы. Развитие архитектуры компьютеров и расширение возможностей операционной системы по управлению памятью позволило переложить решение этой задачи на компьютер. Одним из главных достижений стало появление виртуальной памяти (virtual memory). Впервые она была реализована в 1959 г. на компьютере «Атлас», разработанном в Манчестерском университете.
Суть концепции виртуальной памяти заключается в следующем. Информация, с которой работает активный процесс, должна располагаться в оперативной памяти. В схемах виртуальной памяти у процесса создается иллюзия того, что вся необходимая ему информация имеется в основной памяти. Для этого, во-первых, занимаемая процессом память разбивается на несколько частей, например страниц. Во-вторых, логический адрес (логическая страница), к которому обращается процесс, динамически транслируется в физический адрес (физическую страницу). И, наконец, в тех случаях, когда страница, к которой обращается процесс, не находится в физической памяти, нужно организовать ее подкачку с диска. Для контроля наличия страницы в памяти вводится специальный бит присутствия, входящий в состав атрибутов страницы в таблице страниц.
Таким образом, в наличии всех компонентов процесса в основной памяти необходимости нет. Важным следствием такой организации является то, что размер памяти, занимаемой процессом, может быть больше, чем размер оперативной памяти. Принцип локальности обеспечивает этой схеме нужную эффективность.
Возможность выполнения программы, находящейся в памяти лишь частично, имеет ряд вполне очевидных преимуществ.
Таким образом, возможность обеспечения (при поддержке операционной системы) для программы «видимости» практически неограниченной (характерный размер для 32-разрядных архитектур 2 32 = 4 Гбайт) адресуемой пользовательской памяти (логическое адресное пространство) при наличии основной памяти существенно меньших размеров (физическое адресное пространство) – очень важный аспект.
Но введение виртуальной памяти позволяет решать другую, не менее важную задачу – обеспечение контроля доступа к отдельным сегментам памяти и, в частности, защиту пользовательских программ друг от друга и защиту ОС от пользовательских программ. Каждый процесс работает со своими виртуальными адресами, трансляцию которых в физические выполняет аппаратура компьютера. Таким образом, пользовательский процесс лишен возможности напрямую обратиться к страницам основной памяти, занятым информацией, относящейся к другим процессам.
Например, 16-разрядный компьютер PDP-11/70 с 64 Кбайт логической памяти мог иметь до 2 Мбайт оперативной памяти. Операционная система этого компьютера тем не менее поддерживала виртуальную память, которая обеспечивала защиту и перераспределение основной памяти между пользовательскими процессами.
Напомним, что в системах с виртуальной памятью те адреса, которые генерирует программа (логические адреса), называются виртуальными, и они формируют виртуальное адресное пространство. Термин «виртуальная память» означает, что программист имеет дело с памятью, отличной от реальной, размер которой потенциально больше, чем размер оперативной памяти.
Хотя известны и чисто программные реализации виртуальной памяти, это направление получило наиболее широкое развитие после соответствующей аппаратной поддержки.
Следует отметить, что оборудование компьютера принимает участие в трансляции адреса практически во всех схемах управления памятью. Но в случае виртуальной памяти это становится более сложным вследствие разрывности отображения и многомерности логического адресного пространства. Может быть, наиболее существенным вкладом аппаратуры в реализацию описываемой схемы является автоматическая генерация исключительных ситуаций при отсутствии в памяти нужных страниц (page fault).
Любая из трех ранее рассмотренных схем управления памятью – страничной, сегментной и сегментно-страничной – пригодна для организации виртуальной памяти. Чаще всего используется cегментно-страничная модель, которая является синтезом страничной модели и идеи сегментации. Причем для тех архитектур, в которых сегменты не поддерживаются аппаратно, их реализация – задача архитектурно-независимого компонента менеджера памяти.
Сегментная организация в чистом виде встречается редко.