Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти

Уже давно существует проблема размещения в памяти программ, размер которых превышает размер доступной памяти. Один из вариантов ее решения организация структур с перекрытием рассмотрен в предыдущей главе. При этом предполагалось активное участие программиста в процессе сегментации и загрузки программы.

Было предложено переложить проблему на компьюте р. Развитие архитектуры компьютеров привело к значительному усложнению организации памяти, соответственно, усложнились и расширились задачи операционной системы по управлению памятью. Одним из главных усовершенствований архитектуры стало появление виртуальной памяти (virtual memory). Она впервые была реализована в 1959 г. на компьютере Атлас, разработанном в Манчестерском университете, и стала популярной только спустя десятилетие.

При помощи виртуальной памяти обычно решают две задачи=
Во-первых, виртуальная память позволяет адресовать пространство, гораздо большее, чем емкость физической памяти конкретной вычислительной машины. В соответствии спринципом локальности для реальных программ

обычно нет необходимости в помещении их в физическую память целиком.

Возможность выполнения программы, находящейся в памяти лишь частично имеет ряд вполне очевидных преимуществ:

Программа не ограничена величиной физической памяти. Упрощается разработка программ, поскольку можно задействовать большие виртуальные пространства, не заботясь о размере используемой памяти.

Поскольку появляется возможность частичного помещения программы (процесса) в память и гибкого перераспределения памяти между программами, можно разместить в памяти больше программ, что увеличивает загрузку процессора и пропускную способность системы.

Объем ввода-вывода для выгрузки части программы на диск может быть меньше, чем в варианте классического свопинга, в итоге, каждая программа будет работать быстрее.

Таким образом, возможность обеспечения (при поддержке операционной системы) для программы видимости практически неограниченной (32- или 64-разрядной) адресуемой пользовательской памяти при наличии основной памяти существенно меньших размеров 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.

С целью защиты виртуальная память поддерживалась и на компьютерах с 16-разрядной адресацией, в которых объем основной памяти зачастую существенно превышал 64 Кбайта (размер виртуальной памяти). Например, 16-разрядный компьютер PDP-11/70 мог иметь до 2 Мбайт оперативной памяти. Операционная система этого компьютера, тем не менее, поддерживала виртуальную память, основным смыслом которой являлось обеспечение защиты и перераспределения 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. В отсутствие механизма виртуальной памяти виртуальное адресное пространство непосредственно отображается в физическое пространство.

Хотя известны и чисто программные реализации виртуальной памяти, это направление получило наиболее широкое развитие после получения соответствующей аппаратной поддержки. Идея аппаратной части механизма виртуальной памяти состоит в том, что адрес памяти, вырабатываемый командой, интерпретируется аппаратурой не как реальный адрес некоторого элемента основной памяти, а как некоторая структура, где адрес является лишь одним из компонентов наряду с атрибутами, характеризующими способ обращения по данному адресу.

Традиционно считается, что существует три модели виртуальной памяти:

· страничная,

· сегментная

· и их комбинация - сегментно-страничная модель.

По-видимому, более правильно считать, что существует (и поддерживается аппаратно большинством платформ) страничная модель виртуальной памяти. Сегментно-страничная модель является синтезом страничной модели и идеи сегментации, изложенной в предыдущей главе. Причем для тех архитектур, в которых сегменты не поддерживаются аппаратно их реализация - задача архитектурно-независимой компоненты менеджера памяти. Сегментная организация в чистом виде практически не встречается.

24) Страничная организация памяти. Таблицы страниц.

 

Страничная память

В наиболее простом и наиболее часто используемом случае страничной виртуальной памяти виртуальная память и физическая представляются состоящими из наборов блоков или страниц одинакового размера. Виртуальные адреса делятся на страницы (page), соответствующие единицы в физической (оперативной) памяти образуют страничные кадры (page frames), а в целом система поддержки страничной виртуальной памяти называется пейджингом (paging).

Передача информации между памятью и диском всегда осуществляется целыми страницами. Страницы, в отличие от сегментов, имеют фиксированную длину, обычно являющуюся степенью числа 2, и не могут перекрываться.

Виртуальный адрес в страничной системе упорядоченная пара (p,d), где=

· p - номер страницы в виртуальной памяти,

· d - смещение в рамках страницы p где размещается адресуемый элемент.

Процесс может выполняться, если его текущая страница находится в оперативной памяти. Если текущей страницы в главной памяти нет, она должна быть переписана (подкачана) из внешней памяти. Поступившая страница может быть размещена в любой свободный страничный кадр. Система отображения виртуальных адресов в физические сводится к системе отображения виртуальных страниц в физические и представляет собой таблицу страниц.

Для преобразования адресного пространства каждого процесса используется одна или несколько таблиц страниц, которые обычно хранятся в оперативной памяти.

Для ссылки на таблицу страниц используется специальный регистр процессора. Особенности хранения таблицы страниц описаны ниже. Интерпретация виртуального (логического) адреса показана на рис. 9.1

Рис. 9.1 Связь логического и физического адресов при страничной организации памяти.

Таблица страниц

Организация таблицы страниц - один из ключевых элементов механизмов страничного и сегментно-страничного преобразований. Рассмотрим структуру таблицы страниц более детально.

Итак, виртуальный адрес состоит из =

· виртуального номера страницы (high-order bits)

· и смещения (low-order bits) - внутри страницы с заданным номером.

Номер виртуальной страницы используется как индекс в таблице страниц для нахождения записи (entry) о виртуальной странице.
Из этой записи в таблице страниц находится номер кадра (page frame number), затем прибавляется смещение и формируется физический адрес. Помимо этого запись в таблице страниц содержит информацию об атрибутах страницы, в частности биты защиты.

Основную проблему для эффективной реализации таблицы страниц создают большие размеры виртуальных адресных пространств современных компьютеров, которые обычно определяются разрядностью архитектуры процессора. Самыми распространенными на сегодняшний день являются 32-разрядные процессоры, позволяющие создавать виртуальные адресные пространства такого размером 4 Гб (для 64-разрядных компьютеров эта величина равна 2^64б).

Подсчитаем примерный размер таблицы страниц.

В 32-битном адресном пространстве при размере страницы 4К (Intel) получаем 1М страниц, а в 64-битном и того более. Т.e. таблица должна иметь 1М строк (entry), причем запись в строке состоит из нескольких байт. Заметим, что каждый процесс, нуждается в своей таблице страниц (а в случае сегментно-страничной схемы по одной на каждый сегмент). Итак, в этом случае таблица страниц может быть слишком большой.

Кроме того, отображение должно быть быстрым. Отображение должно быть быстрым т.к. оно делается при каждом обращении к памяти, которое происходит практически в каждой машинной инструкции. Эта проблема решается главным образом за счет реализации ассоциативной памяти.

Для того чтобы избежать необходимости иметь огромную таблицу в памяти все время, а хранить лишь несколько ее фрагментов (это возможно опять же на основании свойства локальности!), многие компьютеры используют многоуровневую таблицу страниц.

Рассмотрим модельный пример (см. рис. 9.4). Предположим, что 32-разрядный адрес делится на =

· 10-разрядное поле Рtr1

· 10-разрядное поле Рtr2

· и 12-разрядное смещение Offset.

12 разрядов смещения позволяют локализовать байт внутри страницы размером 4К (2**12), а всего имеем 2**20 страниц. Как видно из рис. 9.4 1024 строки в таблице верхнего уровня при помощи поля Ptr1 ссылаются на 1024 таблицы второго уровня, каждая из которых содержит также 1024 строки. При помощи поля Ptr2 каждая строка таблицы второго уровня указывает на конкретную страницу. Смысл такой организации в том, чтобы избежать поддержки всех таблиц второго уровня (а их 1024) в памяти постоянно. Рассмотрим пример с круглыми цифрами. Допустим, что процессу нужны 12М памяти: 4М в нижней части памяти для кода, 4М в нижней части для данных и 4М в верхней части памяти для стека. Между дном стека и верхом данных гигантское пространство размером 4Gb-12Mb, которое не используется. Для этого случая необходимы лишь 1 таблица верхнего уровня и 3 таблицы второго уровня.

Рис. 9.4 Пример двухуровневой таблицы страниц.

Такой подход естественным образом обобщается на три и более уровней таблицы.

Рассмотрим одну из записей таблицы страниц. Ее размер колеблется от системы к системе, но 32 бита - наиболее общий случай. Самое важное поле - номер кадра. Цель страничного отображения - локализовать эту величину. Далее бит присутствия. Далее биты защиты (например, 0 - read/write, 1 - read only...) Есть еще биты модификации (если на нее писали) и биты ссылки, которые помогают выделить мало используемые страницы, биты разрешающие кэширование. Заметим, что адреса страниц на диске не являются частью таблицы страниц.

Как наличие нескольких уровней сказывается на производительности менеджера памяти? Если предположить, что каждый уровень - отдельная таблица в памяти, преобразование адреса может потребовать нескольких обращений к памяти.

Количество уровней в таблице страниц зависит от конкретных особенностей архитектуры. Можно привести примеры реализации одноуровневого (DEC PDP-11), двухуровневого (Intel, DEC VAX), трехуровневого (Sun SPARC, DEC Alpha) paging'а, а также paging'а с задаваемым количеством уровней (Motorola). Функционирование RISC процессора MIPS R2000 осуществляется вообще без таблицы страниц. Здесь поиск нужной страницы, если эта страница отсутствует в ассоциативной памяти, должна взять на себя ОС (так называемый zero level paging).

25)Подкачка

Оперативной памяти иногда оказывается недостаточно для того, чтобы вместить все текущие активные процессы, и тогда избыток процессов приходится хранить на диске, а для обработки динамически переносить их в память.

Существуют два основных подхода к управлению памятью, зависящие (отчасти) от доступного аппаратного обеспечения. Самая простая стратегия, называемая свопингом (swapping) или обычной подкачкой, заключается в том, что каждый процесс полностью переносится в память, работает некоторое время и затем целиком возвращается на диск. Другая стратегия, носящая название виртуальной памяти, позволяет программам работать даже тогда, когда они только частично находятся в оперативной памяти.

Работа системы свопинга проиллюстрирована на рис. 4.5. На начальной стадии в памяти находится только процесс А. Затем создаются или загружаются с диска процессы В и С. На рис. 4.5, г процесс А выгружается на диск. Затем появляется процесс D, а процесс В завершается. Наконец, процесс А снова возвращается
в память. Так как теперь процесс А имеет другое размещение в памяти, его адреса должны быть перенастроены или программно во время загрузки в память, или (более заманчивый вариант) аппаратно во время выполнения программы.

Когда в результате подкачки процессов с диска в памяти появляется множество неиспользованных фрагментов, их можно объединить в один большой участок, передвинув все процессы в сторону младших адресов настолько, насколько это возможно.
Такая операция называется уплотнением или сжатием памяти.

 

26)Алгоритмы замещения страниц.