Функции системы управления памятью
Чтобы обеспечить эффективный контроль использования памяти, ОС должна выполнять следующие функции:
отображение адресного пространства процесса на конкретные области физической памяти;
распределение памяти между конкурирующими процессами;
контроль доступа к адресным пространствам процессов;
выгрузка процессов (целиком или частично) во внешнюю память, когда в оперативной памяти недостаточно места;
учет свободной и занятой памяти.
В следующих разделах лекции рассматривается ряд конкретных схем управления памятью. Каждая схема включает в себя определенную идеологию управления, а также алгоритмы и структуры данных и зависит от архитектурных особенностей используемой системы. Вначале будут рассмотрены простейшие схемы. Доминирующая на сегодня схема виртуальной памяти будет описана в последующих лекциях.
Кэш-память
Одним из самых важных вопросов компьютерной техники был и остается вопрос построение такой системы памяти, которая могла бы передавать операнды процессору с той же скоростью, с которой он может их обрабатывать. Одним из способов решения этой проблемы – это технология сочетания маленькой и быстрой памяти с большой, но медленной или технология кэш-памяти. Основная идея кэш-памяти проста, в ней находятся наиболее часто встречающиеся слова. Если процессору нужно, какое то слово, сначала он обращается к кэш-памяти. Если значительная часть слов находится в кэше, среднее время доступа значительно сокращается.
Кэш-память – это способ совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в «быстрое» ЗУ наиболее часто используемой информации из «медленного» ЗУ.
В основе иерархической организации памяти и принципа функционирования кэш-памяти лежит принцип локальности – большинство программ не выполняют обращений к своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой часть адресного пространства, при этом различают:
пространственную локализацию, которая основана на вероятности того, что в скором времени появится потребность обратится к тому же разделу памяти из котрого была считана предыдущая информация;
временную локальность, которая имеет место тогда, когда недавно запрашиваемые ячейки запрашиваются снова.
Принцип действия кэш-памяти
Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Блоки внутри кэша называют строками кэш-памяти (cache line). Если обращение к кэш-памяти нерезультативно, из основной памяти в кэш загружается вся строка, а не только необходимое слово. Возможно, через некоторое время понадобятся другие слова из этой строки.
CPU
ОП
Запрос
КЭШ
(кэш-попадание)
Рис. 6.2 Кэш-память и связь с процессором
Обычно содержимое кэш-памяти представляет собой совокупность записей обо всех загруженных в нее элементах данных из основной памяти. Строка кэш-памяти состоит из нескольких последовательных байтов (обычно от 4 до 64). Строки нумеруются, начиная с 0. Т.е. если размер строки составляет 16 байт, то строка 0 – это байты с 0 по 15, строка 1 – это байты с 16 по 31 и т.д. (см. Рис 6.2). Возьмем в качестве примера некоторый микропроцессор с 12 разрядной шиной адреса (объем памяти 4Кбайт) и кэшем из 16 строк по 16 байт.
№ блока строки кэш-памяти (байты данных)
4095------------------------4080 4079------------------------4064 _ _ _ _ _ _ _
31----------------------------16 15------------------------------0 0------------------------------------------
15
255
254
2
1
0
Рис. 6.3 Структура ОП
В любой момент времени несколько строк находятся в кэш-памяти. Когда происходит обращение к памяти, контроллер кэша проверяет, есть ли нужное слово в данный момент в кэш-памяти, если нет тогда происходит загрузка необходимой строки из ОП. Существует множество вариаций данной схемы, различающихся временем доступа, производительностью и т.д.
Кэш-память прямого отображения
Самый простой тип кэш-памяти – это кэш прямого отображения, когда любая строка из ОП может появиться только на одном месте кэша. Пусть кэш-память содержит 16 строк по 16 байт. Каждый элемент кэша (строка) вмещает ровно одну строку из ОП. В этом случае мы имеем кэш-память объемом 256 байт на которую должен быть отображен объем 4 Кбайт ОП (Рис.6.3)
Кэш – 256 байт ОП – 4 Кбайт
Адрес строки кэша Адрес блока и строки
1
111
15,31…
1111 1111 255
1 110
- 0011 0000 48
-
-
0
111
7,23,39,…
0010 0001 33
-
0010 0001 32
-
-
0
001
1,17,33,…
0 000 0,16,32,… 0001 0001 17
0001 0000 16
16 байт
0000 0001 1
0000 0000 0
Тэг Строка Слово (байт)
Рис. 6.3 Отображение пространства ОП на пространство кэш-памяти.
Очевидно, что при таком отображении основной памяти на память кэша каждому блоку (по объему) ОП отводится одна строка кэш-памяти.
Предположим, процессор обращается по адресу 0010 0001 0110, в этом случае мы должны проверить 1-ую строку кэша (0001) и если в ней находится нужная строка памяти, то считать 5-ый байт (0110). Но в этой строке кэша могут быть представлены 1,17,33 и т.д. строки из основной памяти. Как же узнать, какая именно строка записана в кэш? Для этого служит информация представленная в тэге (tag), четыре бита в нашем случае (0010), т.е. это 33 строка и никакая другая. Таким образом, физический адрес разбивается на несколько частей: