3 Управление памятью
3.1 Основы управления памятью
Часть операционной системы, отвечающая за управление памятью, называется менеджером памяти. Функциями операционной системы по управлению памятью в мультипрограммной системе являются:
отслеживание свободной и занятой памяти;
выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;
вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;
настройка адресов программы на конкретную область физической памяти [11].
Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса (Рисунок 19).
Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.
Виртуальные адреса, называемые иногда математическими, или логическими адресами, вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время трансляции в общем случае не известно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой адрес.
Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды.
Рисунок 19 – Типы адресов
Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов является одним и тем же. Совпадение виртуальных адресов переменных и команд различных процессов не приводит к конфликтам, так как в том случае, когда эти переменные одновременно присутствуют в памяти, операционная система отображает их на разные физические адреса.
Существуют два принципиально отличающихся подхода к преобразованию виртуальных адресов в физические.
В первом случае замена виртуальных адресов на физические выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память.
Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, то есть операнды инструкций и адреса переходов имеют те значения, которые выработал транслятор. В наиболее простом случае, когда виртуальная и физическая память процесса представляют собой единые непрерывные области адресов, операционная система выполняет преобразование виртуальных адресов в физические по следующей схеме. При загрузке операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Схема такого преобразования показана на рисунке 20.
Рисунок 20 – Схема динамического преобразования адресов
Системы управления памятью разделяются на два класса по методам распределения памяти:
перемещающие процессы между памятью и диском;
не делающие этого, что представлено на рисунке 21.
Перед тем, как рассматривать методы распределения памяти для многозадачных систем, которые представлены на рисунке 21, рассмотрим однозадачную систему без подкачки на диск, т.е. систему, в которой в каждый момент времени работает только одна программа. Простейшие три способа организации памяти для такой системы, представлены на рисунке 22.
Рисунок 21 – Методы распределения памяти
На рисунках представлено условное разделение памяти на верхнюю ПЗУ и нижнюю ОЗУ. Первая модель использовалась на старых компьютерах, Вторая модель используется сейчас на некоторых встроенных системах. Третья модель устанавливалась на ранних персональных компьютерах, оснащенных MS-DOS, где в роли ПЗУ выступает BIOS.
При использовании многозадачности повышается эффективность загрузки центрального процессора. К примеру, если средний процесс выполняет вычисления только 20 % от того времени, которое он находится в памяти, то при присутствии в памяти одновременно пяти процессов центральный процессор должен быть занят все время.
Рисунок 22 – Простейшие модели организации памяти при наличии операционной системы и одного пользовательского процесса
Если в памяти находится одновременно n процессов, вероятность того, что все n процессов ждут ввод-вывод (в этом случае центральный процессор будет бездействовать), равна pn. Тогда степень загрузки центрального процессора будет выражаться формулой [14]:
C = 1 – pn. (3)
Н
а
рисунке 23 показана зависимость степени
использования центрального процессора
от числа n,
называемого степенью многозадачности.
%
Рисунок 23 – Зависимость загрузки процессора от числа задач и процента ожидания ввода-вывода от общей времени работы процесса
Из рисунка понятно, что если процессы проводят 80 % своего времени в ожидании завершения операции ввода-вывода, то для того, чтобы получить потерю времени процессора ниже 10 %, в памяти должны одновременно находиться, по меньшей мере, 10 процессов.