25. Типы адресов.

Для идентификации переменных и команд используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса.

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так как 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 программа будет размещена, начиная с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в компьютере.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами. В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа - перемещающий загрузчик. Перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, и информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых константах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, при этом 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. Второй способ является более гибким, он допускает перемещение программы во время ее выполнения, в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти. Вместе с тем использование перемещающего загрузчика уменьшает накладные расходы, так как преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а во втором случае - каждый раз при обращении по данному адресу.

В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться программа, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

26. Управление виртуальной памятью.

Управлением виртуальной памятью называется процесс отображения виртуальной памяти системы в адресное пространство выполняющегося процесса. Система виртуальной памяти в Linux оперирует с адресным пространством, видимым каждым процессом. Страницы виртуальной памяти создаются по запросу. Система виртуальной памяти отвечает также и за загрузку этих страниц с диска и свопинг на диск в случае необходимости.

Менеджер виртуальной памяти Linux (Virtual Memory Manager, VMM) поддерживает два отдельных вида адресного пространства процесса:

1. Как набор отдельных областей на логическом уровне рассмотрения. Адресное пространство состоит из набора не перекрывающихся областей (регионов). Область представляет непрерывное, выровненное по границе страницы подмножество адресного пространства Области для каждого адресного пространства связываются в сбалансированное двоичное дерево.

2. Как набор страниц на физическом уровне рассмотрения. Такой подход основан на таблицах аппаратных страниц процессов. Элементы таблицы страниц являются указателями текущего расположения каждой страницы в виртуальной памяти. Страница может располагаться на диске или в физической памяти. Когда процесс пытается получить доступ к странице не представленной в таблице страниц, ядро вызывает процедуры обработки прерываний. Эти процедуры управляют физическим отображением и направляют запрос соответствующим обработчикам.

Важной функцией виртуальной памяти является перемещение страниц. Linux использует технику замещения страниц (подкачки, paging) при которой отдельные страницы виртуальной памяти перемещаются между физической памятью и диском.

Система замещения страниц разделяется на две части:

1. Тактический алгоритм. Используется для решения какие страницы должны быть записаны на диск. Также Linux использует многопроходный временной алгоритм. При таком подходе каждая страница имеет "возраст". Возраст изменяется по истечении определенного времени. В результате, страницы используемые чаще имеют большее значение "возраста" по сравнению с реже используемыми страницами. Редко используемые страницы могут быть перенесены на диск.

2. Механизм замещения, который действительно выполняет перенос страниц из памяти и обратно.

27. Страничное распределение памяти.

Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами (virtual pages). В общем случае размер виртуального адресного пространства процесса не кратен размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью .

Вся физическая оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (блоками, кадрами).

Размер страницы выбирается равным степеням двойки: 1 Кбайт, 4 Кбайт, 8 Кбайт или 16 Кбайт. Это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

При создании процесса ОС загружает в оперативную память несколько его виртуальных страниц:

- начальные страницы кодового сегмента;

-начальные страницы сегмента данных.

Копия всего виртуального адресного пространства процесса находится на диске. Смежные виртуальные страницы необязательно располагаются в смежных физических страницах. Для каждого процесса операционная система создаст таблицу страниц - информационную структуру, содержащую записи обо всех виртуальных страницах процесса.

Запись таблицы, называемая дескриптором страницы, включает следующую информацию :

- номер физической страницы, в которую загружена данная виртуальная страница;

- признак присутствия, устанавливаемый в единицу, если виртуальная страница находится в оперативной памяти;

- признак изменения страницы, который устанавливается в единицу всякий раз, когда производится запись по адресу, относящемуся к данной странице;

- признак обращения к странице, который устанавливается в единицу при каждом обращении по адресу, относящемуся к данной странице. Если не было обращений к странице, то это лучший кандидат на освобождение из памяти;

- признак защиты - виды доступа, например, чтение/запись.

При каждом обращении к памяти выполняется поиск номера виртуальной страницы, содержащей требуемый адрес, затем по этому номеру определяется нужный элемент таблицы страниц, и из него извлекается описывающая страницу информация.

Далее анализируется признак присутствия, и, если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический, то есть виртуальный адрес заменяется указанным в записи таблицы физическим адресом.

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 процессов, находящихся в состоянии готовности. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу (для этого операционная система должна помнить положение вытесненной страницы в страничном файле диска) и пытается загрузить ее в оперативную память.

Отсюда следует простая схема преобразования виртуального адреса в физический .

Младшие разряды физического адреса, соответствующие смещению, получаются переносом такого же количества младших разрядов из виртуального адреса.

Старшие разряды физического адреса, соответствующие номеру физической страницы, определяются из таблицы страниц, в которой указывается соответствие виртуальных и физических страниц.

Итак, пусть произошло обращение к памяти по некоторому виртуальному адресу. Аппаратными схемами процессора выполняются следующие действия:

1. Из специального регистра процессора извлекается адрес AT таблицы страниц активного процесса. На основании начального адреса таблицы страниц, номера виртуальной страницы р (старшие разряды виртуального адреса) и длины отдельной записи в таблице страниц L (системная константа) определяется адрес нужного дескриптора в таблице страниц:

a = AT + (p * L).

2. Из этого дескриптора извлекается номер соответствующей физической страницы - n.

3. К номеру физической страницы присоединяется смещение s (младшие разряды виртуального адреса).

Использование в пункте (3) того факта, что размер страницы равен степени 2, позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо более длительной операции сложения, что уменьшает время получения физического адреса, а значит повышает производительность компьютера.

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический.

При часто возникающих страничных прерываниях система может тратить большую часть времени впустую, на свопинг страниц. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. Кроме того, увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит уменьшает затраты памяти. С другой стороны, если страница велика, значит велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждой программы.

Типичный размер страницы наиболее распространенных процессоров Pentium фирмы Intel составляет 4 Кбайт. Учитывая, что в современных процессорах максимальный объем виртуального адресного пространства процесса, как правило, не меньше 4 Гбайт (232 байт), то при размере страницы 4 Кбайт и длине записи 4 байта (32 бита) для хранения таблицы страниц может потребоваться 4 Мбайт памяти. Выходом в такой ситуации является хранение в памяти только той части таблицы страниц, которая активно используется в данный период времени - так как сама таблица страниц хранится в таких же страницах физической памяти, что и описываемые ею страницы, то принципиально возможно временно вытеснять часть таблиц страниц из оперативной памяти.

Именно такой результат может быть достигнут путем сложной структуризации виртуального адресного пространства, при котором все множество виртуальных адресов делится на разделы, а разделы делятся на страницы. все страницы имеют одинаковый размер, а разделы содержат одинаковое число страниц.

Если размер страницы (2k) и количество страниц в каталоге (2n) выбрать равным степени двойки, то принадлежность виртуального адреса к разделу, а также смещение внутри страницы можно определить просто:

- младшие k разрядов дают смещение (s);

- следующие n разрядов представляют собой номер виртуальной страницы;

- оставшиеся m разрядов содержат номер раздела.

Для каждого раздела строится своя собственная таблица страниц. Так в процессоре Pentium при размере страницы в 4 Кбайта и длине дескриптора страниц в 4 байта, максимальное число записей в таблице страниц будет 1024.

Каждая таблица страниц описывается дескриптором, структура которого полностью совпадает со структурой дескриптора обычной страницы. Эти дескрипторы сведены в таблицу разделов, называемую также каталогом страниц. Физический адрес таблицы разделов активного процесса содержится в специальном регистре процессора и поэтому всегда известен операционной системе.

Страница, содержащая таблицу разделов никогда не выгружается из памяти, иначе работа виртуальной памяти была бы не возможна.

Тогда, схема преобразования адресов для случая двухуровневой структуризации виртуального адресного пространства примет вид .

1. Путем отбрасывания k + n младших разрядов в виртуальном адресе определяется номер раздела, к которому принадлежит данный виртуальный адрес.

2. По этому номеру из таблицы разделов извлекается дескриптор соответствующей таблицы страниц. Проверяется, находится ли данная таблица в памяти. Если нет, происходит страничное прерывание и система загружает нужную страницу с диска.

3. Далее из это таблицы извлекается дескриптор виртуальной страницы, номер которой содержится в средних n разрядах преобразуемого виртуального адреса. Снова выполняется проверка наличия данной страницы в памяти и при необходимости ее загрузка.

4. Из дескриптора определяется номер (базовый адрес) физической страницы, в которую загружена данная виртуальная страница. К номеру физической страницы пристыковывается смещение, взятое из k младших разрядов виртуального адреса. В результате получается физический адрес.

28. Сегментное распределение памяти.

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 .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.