1.2. 5.Модель управления памятью

Виртуальная память - это способ выполнения программ, размер которых превышает размер доступной физической памяти. Части программ (оверлеи) хранятся во вторичной памяти и пересылаются в ОП по мере надобности. Пересылка осуществляется автоматически операционной системой и невидима для программы.

Виртуальная память основана на разделении понятий адресного пространства и адресов памяти (физические адреса). Виртуальное адресное пространство - это множество адресов, к которым может обращаться программа данного ЦПУ, а реальные адреса ОП МПС – физическим адресным пространством. Виртуальное адресное пространство ЦПУ намного больше его адресного пространства, определяемого разрядностью его адресного регистра.

1.2.5.1. Страничная организация памяти

Пусть адресное пространство ЦПУ равно 65536 байт, а физическое адресное пространство МПС содержит ячейки с 0 по 4095. Можно было бы настроить ЦПУ МПС так, чтобы при обращении к адресу 4096 должно использоваться слово из памяти 0, а при обращении к адресу 4097 – слово из памяти с адресом 1, при обращении к адресу 8191 – слово из памяти с адресом 4095. Другими словами, определено отображение из адресного пространства в действительные адреса памяти – механизм трансляции адресов. Что произойдет, если ЦПУ обратится к адресу 8192. В ЦПУ без виртуальной памяти произойдет исключение по несуществующему адресу физической памяти. В МП с виртуальной памятью будет иметь место следующая последовательность шагов:

1. Байты из ОП будут отправлены во вторичную память.

2. Байты с 8192 по 12287 будут загружены из вторичной памяти в ОП.

3. Отображение адресов изменится: теперь адреса с 8192 по 12287 соответствуют ячейкам физической памяти с 0 по 4095.

4. Выполнение программы продолжится, как ни в чем не бывало.

Такая технология автоматического отображения называется страничной организацией памяти, а части программы, которые считываются из вторичной памяти, страницами. Страница – набор последовательных байт фиксированной длины, не имеющих непосредственной связи с логической структурой программы.

Виртуальное адресное пространство разбивается на ряд страниц равного размера, обычно от 512 до 64 Кбайт, хотя иногда встречается 4 Мбайт. Размер страницы всегда должен быть степенью двойки. Физическое адресное пространство тоже разбивается на части равного размера таким образом, чтобы каждая такая часть ОП вмещала ровно одну страницу. Эти части ОП называют страничными кадрами.

Рассмотрим для примера, как можно 32-разрядный логический адрес (пусть виртуальная память тоже 32 разряда, а размер страницы 4 Кбайт) отобразить на физический адрес ОП объемом 32 Кбайт. В ЦПУ это отображение выполняет MMU. Преобразование 32-битного логического адреса в 15-битный адрес ОП (8 страничных кадров) выполняется следующим образом. Узел MMU разделяет логический адрес на 20-битный номер виртуальной страницы и 12-битовое смещение внутри страницы. Номер виртуальной страницы используется в качестве индекса в таблице страниц для нахождения нужной страницы. На рис.5 номер виртуальной страницы равен 5, поэтому из таблицы выбирается элемент 5 с номером страничного кадра 6 .

Сначала MMU проверяет, находится ли нужная страница в текущий момент в ОП, читая бит присутствия в данном элементе таблицы страниц. В примере этот бит равен 1, т.е. страница в памяти.

Рис.5. Формирования адреса ОП

При обращении к адресу страницы, которой нет в памяти, происходит исключение из-за отсутствия страницы. В случае такой ошибки операционная система должна считать нужную страницу из вторичной памяти, ввести новый адрес физической памяти в таблицу страниц, а затем повторить команду, которая вызвала исключение. Такой метод работы с виртуальной памятью называется вызовом страницы по требованию. Для каждой программы распределение памяти уникально и при переключении с одной программы на другую меняется, поэтому в системах с разделением времени такой подход не годится.

Другой подход основан на наблюдении, что большинство команд обращаются к адресному пространству не равномерно. Обычно большинство обращений относится к небольшому числу страниц. При обращении к памяти можно вызвать команду, вызвать данные или сохранить данные. В каждый момент существует набор страниц, которые использовались при последних m обращениях. Этот набор называют рабочим множеством.

Поскольку рабочее множество меняется очень медленно, можно опираясь на последнее перед остановкой программы рабочее множество, предсказать, какие страницы понадобятся при новом запуске программы. Эти страницы можно загрузить заранее перед очередным запуском программы.

При обращении программы к странице, которая отсутствует в памяти ее нужно вызвать из вторичной памяти. Однако, чтобы освободить для не место, нужно во вторичную память отправить какую-нибудь страницу. По одному из алгоритмов удаляется та страница, которая использовалась наиболее давно, поскольку вероятность того, что она будет в текущем рабочем множестве, очень мала. Этот алгоритм называется LRU (Last Recently Used – наиболее давно использовавшиеся элементы). Иногда LRU приводит к патологическим ситуациям (например программа, цикл которой простирается на несколько страниц).

Другой алгоритм – FIFO (First-in First-out – первым поступил, первым выводится) удаляет ту страницу, которая раньше всех загружалась, независимо от того, когда в последний раз производилось обращение к этой странице. С каждым страничным кадром связан отдельный счетчик. Изначально все счетчики установлены на 0.

После каждой ошибки из-за отсутствия страниц счетчик каждой страницы, находящейся в памяти, увеличивается на 1, а счетчик только что вызванной страницы принимает значение 0. Когда нужно выбрать страницу для удаления, выбирается страница с самым большим значением счетчика.

Если размер рабочего множества больше, чем число допустимых страничных кадров, ни один алгоритм не дает хороших результатов, и ошибки из-за отсутствия страниц будут происходить часто. Если программа постоянно вызывает подобные ошибки, то говорят, что наблюдается пробуксовка (thrashing).

Если страница, которую нужно удалить не менялась, с тех пор как ее считали, то необязательно ее записывать обратно во вторичную память, поскольку точная копия уже существует. В MMU содержится бит для каждой страницы, который равен 0 при загрузке страницы и принимает значение 1, когда изменяются данные в этой странице. По этому биту ОС определяет необходимость перезаписи страницы.