69 Виртуализация памяти компьютеров: предпосылки внедрения, принцип реализации, виды виртуальной памяти.
Предпосылки:
Характерная ситуация:
размещение всей программы в ОП невозможно из-за:
большого размера программы;
необходимости размещения нескольких программ;
в отдельные промежутки времени ЦП обращается сравнительно к небольшим участкам программы.
Решение: используемые в данный период части программ хранятся в ОП, остальные – на внешних ЗУ (ВЗУ).
Сложность: различия в механизмах обращения к ОП и ВЗУ усложняют задачу программиста.
Выход: виртуализация памяти (с 1959 г.).
Виртуализация памяти - способ аппаратно-программной реализации концепции иерархической памяти.
Программисту «предоставляется» единая память большой емкости и высокого быстродействия –виртуальная, кажущаяся (virtual memory).
ОП рассматривается как линейное пространство N адресов – физическое пространство памяти.
Для задач, требующих более N ячеек, предоставляется значительно большее пространство адресов – виртуальное пространство (не обязательно линейное).
Каждому виртуальному адресу должен соответствовать физический.
В процессе вычислений:
виртуальное пространство отображается на физическое;
виртуальные адреса преобразуются в физические.
Выделяют два класса систем виртуальной памяти:
с фиксированным размером блоков (страничная организация);
с переменным размером блоков (сегментная организация).
На практике часто совмещают (сегментно-страничная организация).
70 Концепция страничной организации памяти. Взаимодействие виртуальной памяти с кэш-памятью.
Концепция
Идея:
разбиение программы и виртуального адресного пространства на части равной величины (страницы);
разбиение физического адресного пространства на блоки размером в страницу (страничный кадр или фрейм, page frame).
Размер страницы: 4-8 Кбайт, обычно кратен емкости одного сектора магнитного диска. Страницам виртуальной и физической памяти присваивают номера.
В
иртуальное
пространство описывается таблицами:
страничной таблицей (СТ);
картой диска*.
Преобразователь адресов
Преобразование:
применимо только к номеру страницы;
основано на использовании СТ.
Если преобразователь не находит нужную физическую страницу в ОП (промах или страничный сбой, page fault), то:
преобразователь вырабатывает признак страничного сбоя;
ОС приостанавливает вычисления;
нужная страница считывается из вторичной памяти и помещается в ОП.
Преобразователь адресов делится на две составляющие:
Часть ОС, транслирующая номер виртуальной страницы в номер физической страницы ОП.
Аппаратура, обеспечивающая процесс трансляции и позволяющая ускорить его.
Страничная таблица
Определяет: какие виртуальные страницы находятся в ОП и в каких физических фреймах.
Число записей соответствует количеству виртуальных страниц.
Каждая запись содержит:
поле номера физической страницы (НФС);
признаки* V, R, M и A.
Признак присутствия V:
1:
виртуальная страница присутствует в ОП;
в поле номера физической страницы находится соответствующий номер;
0:
преобразователь генерирует сигнал страничного сбоя;
ОС загружает страницу с диска в ОП, используя карту диска;
корректируется запись в СТ.
Признак использования R:
устанавливается в зависимости от обращений к данной странице;
используется в алгоритме замещения страниц (аналогично кэш-памяти).
Признак модификации М – фиксирует изменение содержимого страницы.
Причина использования: ОП хранит копии страниц, оригиналы – на диске.
Назначение:
обеспечить идентичность подлинников и копий.
Состояние признака М проверяется при удалении страницы из ОП:
1: перед удалением страницу необходимо переписать на диск;
0: сохранение на диске не требуется.
Признак прав доступа А:
служит целям защиты информации;
определяет, какой вид доступа к странице разрешен:
только для чтения;
только для записи;
для чтения и для записи.
Карта диска
Определяет: в каких секторах хранятся виртуальные страницы на диске.
Варианты реализации:
совмещение со страничной таблицей (добавление еще одного поля);
хранение номеров дорожек и секторов для виртуальных страниц (отсутствующих в ОП) в поле номера физической страницы:
поле имеет увеличенную разрядность;
содержимое поля определяется признаком V.
Начальный адрес таблицы страниц записывается ОС в специальный регистр процессора.
При загрузке в ОП программе выделяются любые свободные фреймы (необязательно смежные).
Страница не загружается до тех пор, пока действительно не понадобится – подкачка страниц по обращению (demand paging).
Следствие: сокращается объем пересылок информации между внешней памятью и ОП.
Выделение процессу свободных фреймов
Взаимодействие виртуальной памяти с кэш-памятью
Преобразование виртуального адреса в физический включает обращение к СТ, которая может располагаться:
в кэше TLB;
в ОП;
на диске.
Искомое слово может находиться:
в кэше;
в ОП;
на диске.
Поиск нужного элемента таблицы страниц в TLB:
если элемент отыщется, сразу же формируется физический адрес;
в противном случае элемент считывается из СТ.
Поиск в кэше блока, содержащего слово по сформированному физическому адресу:
если слово найдено, оно передается процессору;
в противном случае слово извлекается из ОП.