Управление памятью

Иерархия памяти В настоящее время в ЭВМ сложилась трехуровневая организация памяти. По мере увеличения уровня памяти весьма существенным образом уменьшается время доступа к хранимым в ней данным и объем самой памяти а стоимость памяти в расчете на один бит информации сильно возрастает. Центральный процессор ЦП может непосредственно обращаться к ОП и кэшпамяти при этом в случае отсутствия данных в кэшпамяти но их наличии в ОП перепись их из ОП в кэшпамять происходит автоматически только с помощью аппаратных средств без участия...

2015-01-27

66.2 KB

9 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Лекция № 4

Управление памятью

Организация оперативной памяти (ОП) и управление ей - одна из главных задач, решаемых ОС. Под организацией ОП понимают, каким образом представляется и используется эта память. При мультипрограммной работе ЭВМ можно поместить в ОП, например, программу только одного пользователя или несколько программ одновременно. Каждая из этих программ может занимать связные и фиксированные участки ОП или же может быть размещена в несвязных участках и при необходимости перемещаться.

Вне зависимости от схемы организации ОП существуют различные стратегии управления этой памятью (СУП) с целью достижения оптимальных характеристик при функционировании ЭВМ. СУП делятся на следующие категории:

Стратегии выборки, которые ставят своей целью определение момента, когда следует "втолкнуть" очередной блок данных или программы в ОП;

2. Стратегии размещения - в какое место ОП следует разместить поступающую программу;

3. Стратегии замещения - определяют, какой блок программы или данных следует вывести (вытолкнуть) из ОП, чтобы освободить место для записи вновь поступающих программ или данных.

Иерархия памяти

В настоящее время в ЭВМ сложилась трехуровневая организация памяти. На нижнем уровне находится внешняя память, которая чаще всего сейчас размещается на магнитных дисках. На следующем уровне находится оперативная память и, наконец, на третьем, самом высоком уровне находится так называемая кэш-память. По мере увеличения уровня памяти весьма существенным образом уменьшается время доступа к хранимым в ней данным и объем самой памяти, а стоимость памяти в расчете на один бит информации сильно возрастает. Центральный процессор (ЦП) может непосредственно обращаться к ОП и кэш-памяти, при этом в случае отсутствия данных в кэш-памяти, но их наличии в ОП, перепись их из ОП в кэш-память происходит автоматически только с помощью аппаратных средств, без участия программы. К данным, находящимся во внешней памяти, ЦП может обратиться только после их переписи из внешней памяти в ОП, для чего программа должна организовать обмен для считывания нужного массива данных из этой внешней памяти в ОП.

Разновидности памяти могут быть объединены в иерархию по убыванию времени доступа, возрастанию цены и увеличению емкости.


Рис. 1.  Иерархия памяти

Многоуровневую схему используют следующим образом. Информация, которая находится в памяти верхнего уровня, обычно хранится также на уровнях с большими номерами. Если процессор не обнаруживает нужную информацию на i-м уровне, он начинает искать ее на следующих уровнях. Когда нужная информация найдена, она переносится в более быстрые уровни.

Локальность

Оказывается, при таком способе организации по мере снижения скорости доступа к уровню памяти снижается также и частота обращений к нему.

Ключевую роль здесь играет свойство реальных программ, в течение ограниченного отрезка времени способных работать с небольшим набором адресов памяти. Это эмпирически наблюдаемое свойство известно как принцип локальности или локализации обращений.

Свойство локальности (соседние в пространстве и времени объекты характеризуются похожими свойствами) присуще не только функционированию ОС, но и природе вообще. В случае ОС свойство локальности объяснимо, если учесть, как пишутся программы и как хранятся данные, то есть обычно в течение какого-то отрезка времени ограниченный фрагмент кода работает с ограниченным набором данных. Эту часть кода и данных удается разместить в памяти с быстрым доступом. В результате реальное время доступа к памяти определяется временем доступа к верхним уровням, что и обусловливает эффективность использования иерархической схемы. Надо сказать, что описываемая организация вычислительной системы во многом имитирует деятельность человеческого мозга при переработке информации. Действительно, решая конкретную проблему, человек работает с небольшим объемом информации, храня не относящиеся к делу сведения в своей памяти или во внешней памяти (например, в книгах).

Кэш процессора обычно является частью аппаратуры, поэтому менеджер памяти ОС занимается распределением информации главным образом в основной и внешней памяти компьютера. В некоторых схемах потоки между оперативной и внешней памятью регулируются программистом (см. например, далее оверлейные структуры), однако это связано с затратами времени программиста, так что подобную деятельность стараются возложить на ОС.

Адреса в основной памяти, характеризующие реальное расположение данных в физической памяти, называются физическими адресами. Набор физических адресов, с которым работает программа, называют физическим адресным пространством.

Логическая память

Аппаратная организация памяти в виде линейного набора ячеек не соответствует представлениям программиста о том, как организовано хранение программ и данных. Большинство программ представляет собой набор модулей, созданных независимо друг от друга. Иногда все модули, входящие в состав процесса, располагаются в памяти один за другим, образуя линейное пространство адресов. Однако чаще модули помещаются в разные области памяти и используются по-разному.

Схема управления памятью, поддерживающая этот взгляд пользователя на то, как хранятся программы и данные, называется сегментацией. Сегмент – область памяти определенного назначения, внутри которой поддерживается линейная адресация. Сегменты содержат процедуры, массивы, стек или скалярные величины, но обычно не содержат информацию смешанного типа.

По-видимому, вначале сегменты памяти появились в связи с необходимостью обобществления процессами фрагментов программного кода (текстовый редактор, тригонометрические библиотеки и т. д.), без чего каждый процесс должен был хранить в своем адресном пространстве дублирующую информацию. Эти отдельные участки памяти, хранящие информацию, которую система отображает в память нескольких процессов, получили название сегментов. Память, таким образом, перестала быть линейной и превратилась в двумерную. Адрес состоит из двух компонентов: номер сегмента, смещение внутри сегмента. Далее оказалось удобным размещать в разных сегментах различные компоненты процесса (код программы, данные, стек и т. д.). Попутно выяснилось, что можно контролировать характер работы с конкретным сегментом, приписав ему атрибуты, например права доступа или типы операций, которые разрешается производить с данными, хранящимися в сегменте.


Рис 2.  Расположение сегментов процессов в памяти компьютера

Некоторые сегменты, описывающие адресное пространство процесса, показаны на рис. 2.

Большинство современных ОС поддерживают сегментную организацию памяти. В некоторых архитектурах (Intel, например) сегментация поддерживается оборудованием.

Адреса, к которым обращается процесс, таким образом, отличаются от адресов, реально существующих в оперативной памяти. В каждом конкретном случае используемые программой адреса могут быть представлены различными способами. Например, адреса в исходных текстах обычно символические. Компилятор связывает эти символические адреса с перемещаемыми адресами (такими, как n байт от начала модуля). Подобный адрес, сгенерированный программой, обычно называют логическим (в системах с виртуальной памятью он часто называется виртуальным) адресом. Совокупность всех логических адресов называется логическим (виртуальным) адресным пространством.

Связывание адресов

Итак логические и физические адресные пространства ни по организации, ни по размеру не соответствуют друг другу. Максимальный размер логического адресного пространства обычно определяется разрядностью процессора (например, 232) и в современных системах значительно превышает размер физического адресного пространства. Следовательно, процессор и ОС должны быть способны отобразить ссылки в коде программы в реальные физические адреса, соответствующие текущему расположению программы в основной памяти. Такое отображение адресов называют трансляцией (привязкой) адреса или связыванием адресов (см. рис. 8.3).

Связывание логического адреса, порожденного оператором программы, с физическим должно быть осуществлено до начала выполнения оператора или в момент его выполнения. Таким образом, привязка инструкций и данных к памяти в принципе может быть сделана на следующих шагах.

Этап компиляции (Compile time). Когда на стадии компиляции известно точное место размещения процесса в памяти, тогда непосредственно генерируются физические адреса. При изменении стартового адреса программы необходимо перекомпилировать ее код. В качестве примера можно привести .com программы MS-DOS, которые связывают ее с физическими адресами на стадии компиляции.

Этап загрузки (Load time). Если информация о размещении программы на стадии компиляции отсутствует, компилятор генерирует перемещаемый код. В этом случае окончательное связывание откладывается до момента загрузки. Если стартовый адрес меняется, нужно всего лишь перезагрузить код с учетом измененной величины.

Этап выполнения (Execution time). Если процесс может быть перемещен во время выполнения из одной области памяти в другую, связывание откладывается до стадии выполнения. Здесь желательно наличие специализированного оборудования, например регистров перемещения. Их значение прибавляется к каждому адресу, сгенерированному процессом. Большинство современных ОС осуществляет трансляцию адресов на этапе выполнения, используя для этого специальный аппаратный механизм.


Рис. 3.  Формирование логического адреса и связывание логического адреса с физическим

Функции системы управления памятью

Чтобы обеспечить эффективный контроль использования памяти, ОС должна выполнять следующие функции:

отображение адресного пространства процесса на конкретные области физической памяти;

распределение памяти между конкурирующими процессами;

контроль доступа к адресным пространствам процессов;

выгрузка процессов (целиком или частично) во внешнюю память, когда в оперативной памяти недостаточно места;

учет свободной и занятой памяти.

Простейшие схемы управления памятью

Первые ОС применяли очень простые методы управления памятью. Вначале каждый процесс пользователя должен был полностью поместиться в основной памяти, занимать непрерывную область памяти, а система принимала к обслуживанию дополнительные пользовательские процессы до тех пор, пока все они одновременно помещались в основной памяти. Затем появился "простой свопинг" (система по-прежнему размещает каждый процесс в основной памяти целиком, но иногда на основании некоторого критерия целиком сбрасывает образ некоторого процесса из основной памяти во внешнюю и заменяет его в основной памяти образом другого процесса). Такого рода схемы имеют не только историческую ценность. В настоящее время они применяются в учебных и научно-исследовательских модельных ОС, а также в ОС для встроенных (embedded) компьютеров.

Схема с фиксированными разделами

Самым простым способом управления оперативной памятью является ее предварительное (обычно на этапе генерации или в момент загрузки системы) разбиение на несколько разделов фиксированной величины. Поступающие процессы помещаются в тот или иной раздел. При этом происходит условное разбиение физического адресного пространства. Связывание логических и физических адресов процесса происходит на этапе его загрузки в конкретный раздел, иногда – на этапе компиляции.

Каждый раздел может иметь свою очередь процессов, а может существовать и глобальная очередь для всех разделов(см. рис. 4).

Эта схема была реализована в IBM OS/360 (MFT), DEC RSX-11 и ряде других систем.

Подсистема управления памятью оценивает размер поступившего процесса, выбирает подходящий для него раздел, осуществляет загрузку процесса в этот раздел и настройку адресов.


Рис. 4.  Схема с фиксированными разделами: (a) – с общей очередью процессов, (b) – с отдельными очередями процессов

Очевидный недостаток этой схемы – число одновременно выполняемых процессов ограничено числом разделов.

Другим существенным недостатком является то, что предлагаемая схема сильно страдает от внутренней фрагментации – потери части памяти, выделенной процессу, но не используемой им. Фрагментация возникает потому, что процесс не полностью занимает выделенный ему раздел или потому, что некоторые разделы слишком малы для выполняемых пользовательских программ.

Оверлейная структура

Так как размер логического адресного пространства процесса может быть больше, чем размер выделенного ему раздела (или больше, чем размер самого большого раздела), иногда используется техника, называемая оверлей (overlay) или организация структуры с перекрытием. Основная идея – держать в памяти только те инструкции программы, которые нужны в данный момент.

Потребность в таком способе загрузки появляется, если логическое адресное пространство системы мало, например 1 Мбайт (MS-DOS) или даже всего 64 Кбайта (PDP-11), а программа относительно велика. На современных 32-разрядных системах, где виртуальное адресное пространство измеряется гигабайтами, проблемы с нехваткой памяти решаются другими способами.


Рис. 5.  Организация структуры с перекрытием. Можно поочередно загружать в память ветви A-B, A-C-D и A-C-E программы

Коды ветвей оверлейной структуры программы находятся на диске как абсолютные образы памяти и считываются драйвером оверлеев при необходимости. Для описания оверлейной структуры обычно используется специальный несложный язык (overlay description language). Совокупность файлов исполняемой программы дополняется файлом (обычно с расширением .odl), описывающим дерево вызовов внутри программы. Для примера, приведенного на рис. 5, текст этого файла может выглядеть так:

A-(B,C)

C-(D,E)

Синтаксис подобного файла может распознаваться загрузчиком. Привязка к физической памяти происходит в момент очередной загрузки одной из ветвей программы.

Оверлеи могут быть полностью реализованы на пользовательском уровне в системах с простой файловой структурой. ОС при этом лишь делает несколько больше операций ввода-вывода. Типовое решение – порождение линкером специальных команд, которые включают загрузчик каждый раз, когда требуется обращение к одной из перекрывающихся ветвей программы.

Тщательное проектирование оверлейной структуры отнимает много времени и требует знания устройства программы, ее кода, данных и языка описания оверлейной структуры. По этой причине применение оверлеев ограничено компьютерами с небольшим логическим адресным пространством. Как мы увидим в дальнейшем, проблема оверлейных сегментов, контролируемых программистом, отпадает благодаря появлению систем виртуальной памяти.

Заметим, что возможность организации структур с перекрытиями во многом обусловлена свойством локальности, которое позволяет хранить в памяти только ту информацию, которая необходима в конкретный момент вычислений.

Динамическое распределение. Свопинг

Имея дело с пакетными системами, можно обходиться фиксированными разделами и не использовать ничего более сложного. В системах с разделением времени возможна ситуация, когда память не в состоянии содержать все пользовательские процессы. Приходится прибегать к свопингу (swapping) – перемещению процессов из главной памяти на диск и обратно целиком. Частичная выгрузка процессов на диск осуществляется в системах со страничной организацией (paging) и будет рассмотрена ниже.

Выгруженный процесс может быть возвращен в то же самое адресное пространство или в другое. Это ограничение диктуется методом связывания. Для схемы связывания на этапе выполнения можно загрузить процесс в другое место памяти.

Свопинг не имеет непосредственного отношения к управлению памятью, скорее он связан с подсистемой планирования процессов. Очевидно, что свопинг увеличивает время переключения контекста. Время выгрузки может быть сокращено за счет организации специально отведенного пространства на диске (раздел для свопинга). Обмен с диском при этом осуществляется блоками большего размера, то есть быстрее, чем через стандартную файловую систему. Во многих версиях Unix свопинг начинает работать только тогда, когда возникает необходимость в снижении загрузки системы.

Схема с переменными разделами

В принципе, система свопинга может базироваться на фиксированных разделах. Более эффективной, однако, представляется схема динамического распределения или схема с переменными разделами, которая может использоваться и в тех случаях, когда все процессы целиком помещаются в памяти, то есть в отсутствие свопинга. В этом случае вначале вся память свободна и не разделена заранее на разделы. Вновь поступающей задаче выделяется строго необходимое количество памяти, не более. После выгрузки процесса память временно освобождается. По истечении некоторого времени память представляет собой переменное число разделов разного размера (рис. 6). Смежные свободные участки могут быть объединены.


Рис. 6.  Динамика распределения памяти между процессами (серым цветом показана неиспользуемая память)

В какой раздел помещать процесс? Наиболее распространены три стратегии.

Стратегия первого подходящего (First fit). Процесс помещается в первый подходящий по размеру раздел.

Стратегия наиболее подходящего (Best fit). Процесс помещается в тот раздел, где после его загрузки останется меньше всего свободного места.

Стратегия наименее подходящего (Worst fit). При помещении в самый большой раздел в нем остается достаточно места для возможного размещения еще одного процесса.

Моделирование показало, что доля полезно используемой памяти в первых двух случаях больше, при этом первый способ несколько быстрее. Попутно заметим, что перечисленные стратегии широко применяются и другими компонентами ОС, например для размещения файлов на диске.

Типовой цикл работы менеджера памяти состоит в анализе запроса на выделение свободного участка (раздела), выборе его среди имеющихся в соответствии с одной из стратегий (первого подходящего, наиболее подходящего и наименее подходящего), загрузке процесса в выбранный раздел и последующих изменениях таблиц свободных и занятых областей. Аналогичная корректировка необходима и после завершения процесса. Связывание адресов может осуществляться на этапах загрузки и выполнения.

Этот метод более гибок по сравнению с методом фиксированных разделов, однако ему присуща внешняя фрагментация – наличие большого числа участков неиспользуемой памяти, не выделенной ни одному процессу. Выбор стратегии размещения процесса между первым подходящим и наиболее подходящим слабо влияет на величину фрагментации. Любопытно, что метод наиболее подходящего может оказаться наихудшим, так как он оставляет множество мелких незанятых блоков.

Статистический анализ показывает, что пропадает в среднем 1/3 памяти! Это известное правило 50% (два соседних свободных участка в отличие от двух соседних процессов могут быть объединены).

Одно из решений проблемы внешней фрагментации – организовать сжатие, то есть перемещение всех занятых (свободных) участков в сторону возрастания (убывания) адресов, так, чтобы вся свободная память образовала непрерывную область. Этот метод иногда называют схемой с перемещаемыми разделами. В идеале фрагментация после сжатия должна отсутствовать. Сжатие, однако, является дорогостоящей процедурой, алгоритм выбора оптимальной стратегии сжатия очень труден и, как правило, сжатие осуществляется в комбинации с выгрузкой и загрузкой по другим адресам.

Страничная память

Описанные выше схемы недостаточно эффективно используют память, поэтому в современных схемах управления памятью не принято размещать процесс в оперативной памяти одним непрерывным блоком.

В самом простом и наиболее распространенном случае страничной организации памяти (или paging) как логическое адресное пространство, так и физическое представляются состоящими из наборов блоков или страниц одинакового размера. При этом образуются логические страницы (page), а соответствующие единицы в физической памяти называют физическими страницами или страничными кадрами (page frames). Страницы (и страничные кадры) имеют фиксированную длину, обычно являющуюся степенью числа 2, и не могут перекрываться. Каждый кадр содержит одну страницу данных. При такой организации внешняя фрагментация отсутствует, а потери из-за внутренней фрагментации, поскольку процесс занимает целое число страниц, ограничены частью последней страницы процесса.

Логический адрес в страничной системе – упорядоченная пара (p,d), где p – номер страницы в виртуальной памяти, а d – смещение в рамках страницы p, на которой размещается адресуемый элемент. Заметим, что разбиение адресного пространства на страницы осуществляется вычислительной системой незаметно для программиста. Поэтому адрес является двумерным лишь с точки зрения операционной системы, а с точки зрения программиста адресное пространство процесса остается линейным.

Описываемая схема позволяет загрузить процесс, даже если нет непрерывной области кадров, достаточной для размещения процесса целиком. Но одного базового регистра для осуществления трансляции адреса в данной схеме недостаточно. Система отображения логических адресов в физические сводится к системе отображения логических страниц в физические и представляет собой таблицу страниц, которая хранится в оперативной памяти. Иногда говорят, что таблица страниц – это кусочно-линейная функция отображения, заданная в табличном виде.

Интерпретация логического адреса показана на рис. 7. Если выполняемый процесс обращается к логическому адресу v = (p,d), механизм отображения ищет номер страницы p в таблице страниц и определяет, что эта страница находится в страничном кадре p', формируя реальный адрес из p' и d.


Рис. 7.  Связь логического и физического адресов при страничной организации памяти

Таблица страниц (page table) адресуется при помощи специального регистра процессора и позволяет определить номер кадра по логическому адресу. Помимо этой основной задачи, при помощи атрибутов, записанных в строке таблицы страниц, можно организовать контроль доступа к конкретной странице и ее защиту.

Отметим еще раз различие точек зрения пользователя и системы на используемую память. С точки зрения пользователя, его память – единое непрерывное пространство, содержащее только одну программу. Реальное отображение скрыто от пользователя и контролируется ОС. Заметим, что процессу пользователя чужая память недоступна. Он не имеет возможности адресовать память за пределами своей таблицы страниц, которая включает только его собственные страницы.

Для управления физической памятью ОС поддерживает структуру таблицы кадров. Она имеет одну запись на каждый физический кадр, показывающий его состояние.

Отображение адресов должно быть осуществлено корректно даже в сложных случаях и обычно реализуется аппаратно. Для ссылки на таблицу процессов используется специальный регистр. При переключении процессов необходимо найти таблицу страниц нового процесса, указатель на которую входит в контекст процесса.

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 232 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.  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. 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.

Виртуальная память

В настоящее время именно концепция виртуальной памяти получила наибольшее распространение при организации внутренней памяти современных ЭВМ. Суть концепции виртуальной памяти заключается в том, что адреса, к которым обращается выполняющийся процесс, отделяются от адресов, реально существующих в первичной памяти. Те адреса, на которые делает ссылки выполняющийся процесс, называются виртуальными адресами, а те адреса, которые существуют в первичной памяти, называются реальными (или физическими) адресами. Диапазон виртуальных адресов, к которым может обращаться выполняющийся процесс, называется пространством V виртуальных адресов этого процесса. Диапазон реальных адресов, существующих в конкретной ЭВМ, называется пространством R реальных адресов этой ЭВМ.

Несмотря на то, что процессы обращаются только к виртуальным адресам, в действительности они должны работать с реальной физической памятью. Для этого во время выполнения процесса виртуальные адреса необходимо с помощью соответствующих аппаратных средств преобразовывать в реальные, причем это преобразование должно быть достаточно быстрым, так как в противном случае производительность ЭВМ будет существенно снижаться и тем самым сведутся на нет те преимущества, которые призвана обеспечить прежде всего концепция виртуальной памяти.

В процессе написания программы пользователь освобождается от необходимости учитывать размещение частей своей программы и данных для нее в реальной памяти. Решение этих вопросов берут на себя соответствующие программы, относящиеся к общему программному обеспечению: трансляторы, компоновщики, загрузчики, операционные системы. Для реализации указанного размещения и быстрого преобразования адресов в современных ЭВМ используются соответствующие аппаратурные средства, загрузка данных в которые производится ОС при подготовке процесса к выполнению.

В случае, когда используется только сегментная или только страничная адресация, виртуальный адрес, как уже указывалось, состоит из двух компонент: номера блока и смещения в рамках этого блока. Если же используется комбинированная сегментно-страничная организация, то применяется трехкомпонентная (трехмерная) организация, т.е. для элемента виртуальной памяти адрес определяется как упорядоченная тройка v = (s, p, d), где s - номер сегмента, p - номер страницы, а d - смещение в рамках страницы; по этой тройке находится нужный физический элемент.

В блочных системах могут быть использованы различные способы преобразования виртуального адреса в реальный физический: прямого, ассоциативного или комбинированного (ассоциативно-прямого) преобразования. В качестве примера рассмотрим общий вид схемы прямого преобразования виртуального адреса (b,d) в реальный (b'+ d), представленной на рисунке 10.

Рисунок 10. Схема прямого преобразования виртуального адреса в реальный

Программно-аппаратные средства защиты виртуальной памяти

Для иллюстрации возможности этих средств рассмотрим вид типичной строки таблицы блоков (сегментов или страниц), хотя в различных ЭВМ вид этих строк может различаться; для одной и той же ЭВМ вид строки таблицы сегментов также может отличаться от вида строки таблицы строк.

Рисунок 11. Строка таблицы блоков

На этом рисунке использованы следующие обозначения:

р - бит присутствия;

а - адрес внешней памяти для случая, когда р=0, т.е. блока нет в физической внутренней памяти;

L - длина блока;

R - бит разрешения только чтения данных;

W - бит разрешения записи и чтения данных;

Е - бит разрешения выполнения команд, содержащихся в этом блоке;

А - бит разрешения дополнения данного блока данных новыми данными, записываемыми в конец этого блока;

b' - базовый адрес блока, если он уже находится в реальной ОП.

Работа программных средств по считыванию блока из внешней памяти в случае, если бит р=0, инициируется с помощью прерывания, программа обработки которого относится к программным средствам поддержки реализации виртуальной памяти, а сами эти средства принадлежат ОС.

После загрузки блока продолжается обработка виртуального адреса, при этом в первую очередь смещение d сравнивается с длиной блока L. При d > L вырабатывается прерывание по выходу за пределы блока и затем ОС прекращает выполнение данного процесса. Если d<L или d=L, то происходит контроль по битам защиты R, W, Е и А, чтобы удостовериться, что соответствующая операция доступа разрешена. Если такое разрешение имеется, то с помощью аппаратных средств вычисляется физический адрес, соответствующий поступившему виртуальному адресу. Если же соответствующий вид доступа запрещен, то происходит прерывание по защите блока и затем ОС прекращает выполнение текущего процесса.

 Управление виртуальной памятью

1. Стратегии выталкивания страниц

В вычислительных системах со страничной организацией ОП при работе в мультипрограммном режиме работы с высокой вероятностью может возникнуть ситуация, при которой все страницы ОП оказываются занятыми. В этом случае программы управления памятью, входящие в ОС, должны решать, какую страницу следует удалить из первичной памяти, чтобы освободить место для поступающей страницы. Наиболее известными являются следующие стратегии выталкивания страниц:

использование принципа оптимальности;

выталкивание случайной страницы;

выталкивание первой по времени пришедшей страницы(принцип FIFO);

выталкивание дольше всего не использовавшейся страницы;

выталкивание наименее часто использовавшейся страницы;

выталкивание не использовавшейся в последнее время страницы;

использование рабочего множества.

Принцип оптимальности говорит о том, что для достижения оптимальных скоростных характеристик и эффективного использования ресурсов следует заменять ту страницу, к которой в дальнейшем не будет новых обращений в течение наиболее длительного времени. Очевидно, что реализация такой стратегии возможна только в том случае, когда повторяется выполнение ранее решавшейся задачи с той же последовательностью выполняемых команд; однако подобная ситуация на практике может иметь место в относительно редком числе случаев, например, в некоторых системах реального времени. Поэтому из остальных стратегий выталкивания страниц следует выбрать такие стратегии, которые по даваемым ими результатам наиболее близко приближаются к принципу оптимальности. Эта задача не имеет решения в общем случае, так как условия функционирования различных задач и даже одной задачи на различных участках ее выполнения могут существенно отличаться друг от друга. Одной из наиболее эффективных стратегий выталкивания страниц может в ряде случаев, в частности, в системах реального времени, оказаться стратегия, основанная на использовании рабочих множеств. Под рабочим множеством в этом случае понимают подмножество страниц, к которым процесс наиболее часто обращается. Исследования различных авторов показали, что в большинстве случаев объем рабочего множества не превосходит 10% от объема всей памяти, использовавшейся для процесса; поэтому в ОП в первую очередь должно содержаться рабочее множество процесса, а остальные блоки затребованной памяти должны загружаться в ОП при возникновении соответствующего запроса со стороны выполняемого процесса.

2. Стратегии подкачки страниц

В настоящее время все более относительно дорогим становится относительная стоимость времени, затрачиваемого программистом или вообще пользователем, по сравнению со стоимостью аппаратуры. Поэтому достаточно часто идут на увеличение объема ОП и применяют стратегию упреждающей подкачки, отказываясь от стратегии подкачки по запросу.

3. Стратегии размещения

Их цель состоит в определении того места ОП, в которое следует поместить поступающую страницу или сегмент. В системах со страничной организацией ОП эта проблема тривиальна, так как берется любая свободная страница.

Системы с сегментной организацией ОП требуют более сложных стратегий размещения, так как существует возможность выбора по объему участков свободной памяти и могут быть трудности типа так называемой фрагментации памяти. Суть ее состоит в том, что в ОП накапливается значительное число свободных, небольших по объему, участков, которые невозможно использовать для размещения вновь запрошенных сегментов, так как все эти сегменты больше по своему объему указанных свободных участков памяти. В итоге может оказаться, что существенная часть ОП окажется непригодной для использования без принятия специальных мер со стороны ОС по проведению дефрагментации ОП, однако процедура дефрагментации требует приостановки процесса обслуживания пользователей на некоторое время. Возможно, что именно по этой причине некоторые ОС не используют сегментную организацию памяти.

Большинство имеющихся в литературе данных, как теоретических, так и эмпирических, свидетельствуют о том, что в ЭВМ целесообразно выбирать страницы относительно небольшого размера. Например, в защищенном режиме работы ЭВМ с микропроцессором 80х86 при х > 2 используется размер страницы, равный 4 Кб.



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
2779. УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ В ОС UNIX И WINDOWS 93.5 KB
  Напишите программу, которая будет сравнивать среднее время доступа к жесткому диску с включенным кэшированием записи и без него. Сравните и обоснуйте полученные результаты. Операционная система - Windows.
3286. Автомат с магазинной памятью 60.73 KB
  Формальное определение диаграмма автомата с магазинной памятью В отличие от конечных автоматов автомат с магазинной памятью является набором: где K конечное множество состояний автомата единственно допустимое начальное состояние автомата множество конечных состояний причём допустимо F=Ø и F=K Σ допустимый входной алфавит из которого формируются строки считываемые автоматом S алфавит памяти магазина нулевой символ памяти. Реализация автоматов с магазинной памятью отличается от конечных автоматов тем что текущее...
9093. Аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью 49.28 KB
  Для обеспечения нужной производительности менеджер памяти ОС старается поддерживать в оперативной памяти актуальную информацию пытаясь угадать к каким логическим адресам последует обращение в недалеком будущем. Для обеспечения нужной производительности менеджер памяти ОС старается поддерживать в оперативной памяти актуальную информацию пытаясь угадать к каким логическим адресам последует обращение в недалеком будущем. Для каждой виртуальной страницы запись в таблице страниц содержит номер соответствующего страничного кадра в оперативной...
9094. Организация памяти компьютера. Простейшие схемы управления памятью 55.41 KB
  Программы вместе с данными к которым они имеют доступ в процессе выполнения должны по крайней мере частично находиться в оперативной памяти. Операционной системе приходится решать задачу распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС. Часть ОС которая отвечает за управление памятью называется менеджером памяти.
13512. Управление, государственное управление, исполнительная власть 44.43 KB
  Управление: понятие признаки система и принципы Органы государственного управления: понятие виды и функции. По содержанию административное право является государственно-управленческим правом реализующим правовой интерес большинства граждан для чего субъекты управления наделяются юридически властными полномочиями представительскими функциями государства. Следовательно объектом действия юридических норм являются специфические управленческие общественные отношения возникающие между субъектом управления управляющим и объектами...
19149. Государственное управление 21.56 KB
  Государственное управление – это один из видов деятельности государственных органов Российской Федерации по осуществлению государственной власти, реализации государственно-властных полномочий. Однако объем их государственно-управленческих (административных) полномочий неодинаков, что объясняется существующим государственным устройством страны.
5601. Управление светодиодами 55.54 KB
  Это объясняется тем что для практических применений требуется большое разнообразие устройств управления обработки данных т. Эти блоки соединяются между собой таким образом чтобы обеспечивалась необходимая структура потока данных. Программа это определенным образом организованная совокупность элементарных машинных операций называемых командами или инструкциями с помощью которых осуществляется обработка информации или данных. Обработка данных осуществляется в арифметическом устройстве.
1979. УПРАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИЕЙ В ГИС 68.44 KB
  Например наборы данных ГИС могут управляться в реляционных базах данных как и прочая корпоративная информация. Для оперирования данными хранящимися в системе управления базами данных СУБД используется современная логика взаимодействия приложений. Подобно другим корпоративным информационным системам работа которых основана на транзакциях ГИС широко используются для постоянного изменения и обновления баз географических данных. Например простой запрос к базе данных для заполнения обычного коммерческого бланка выведет несколько...
8783. Региональное управление 70.1 KB
  Государственное регулирование социально-экономического развития регионов. Местные бюджеты как финансовая основа социально-экономического развития региона. Разные территории Украины имеют свои особенности и отличия как относительно экономического развития так и в социальном историческом языковом и ментальном аспектах. Из таких проблем нужно прежде всего назвать несовершенство отраслевой структуры большинства региональных хозяйственных комплексов их низкую экономическую эффективность; значительные отличия между регионами в уровнях...
575. Управление риском 8.38 KB
  Методы защиты от опасности на производстве: 1 инженерный метод реализуется путём дистанционного управления опасными и вредными процессами. Приёмы защиты человека от опасности: 1 осуществление организации мер защиты 2 создание техники с максимальным уровнем безопасности 3 средства коллективной защиты 4 разработка средств индивидуальной защиты 5 обучение воспитание психологическое воздействие.
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.