Схемная реализация системы памяти;
Страничная организация памяти;
Вар 1.
Идею о разделении понятий адресного пространства и адресов памяти выдвинула группа ученых из Манчестера. Рассмотрим в качестве примера типичный компьютер того времени с 16-разрядным полем адреса в командах и 4096 словами памяти. Программа, работающая на таком компьютере, могла обращаться к 65 536 словам памяти (поскольку адреса были 16-разрядными, а 216 = 65 536). Обратите внимание, что число адресуемых слов зависит только от числа битов адреса и никак не связано с числом реально доступных слов в памяти. Адресное пространство такого компьютера состоит из чисел 0, 1,2,65 535, так как это — набор всех возможных адресов. Однако в действительности компьютер мог иметь гораздо меньше слов в памяти.
До изобретения виртуальной памяти приходилось проводить жесткое различие между адресами, меньшими 4096, и адресами, равными или большими 4096. Эти две части рассматривались как полезное адресное пространство и бесполезное адресное пространство соответственно (адреса выше 4095 были бесполезными, поскольку они не соответствовали реальным адресам памяти). Никакого различия между адресным пространством и адресами памяти не проводилось, поскольку между ними подразумевалось взаимно-однозначное соответствие.
Идея разделения понятий адресного пространства и адресов памяти состоит в следующем. В любой момент времени можно получить прямой доступ к 4096 словам памяти, но это не значит, что они непременно должны соответствовать адресам памяти от 0 до 4095. Например, мы могли бы сообщить компьютеру, что при обращении к адресу 4096 нужно использовать слово из памяти с адресом 0, при обращении к адресу 4097 — слово из памяти с адресом 1, при обращении к адресу 8191 — слово из памяти с адресом 4095 и т. д. Другими словами, мы отображаем адресное пространство на действительные адреса памяти (рис. 6.2).
Согласно этой схеме отображения адресов адресного пространства на фактические ячейки памяти, в машине с объемом памяти 4 Кбайт (без виртуальной памяти) между адресами от 0 до 4095 и словами памяти числом 4096 существует прямое соответствие. Возникает интересный вопрос: а что произойдет, если программа совершит переход к одному из адресов в диапазоне от 8192 по 12 287? В машине без виртуальной памяти произойдет ошибка, на экран будет выведено сообщение о несуществующем адресе памяти, и выполнение программы прервется.
В машине с виртуальной памятью произойдет следующее:
1. Содержимое основной памяти будет сохранено на диске.
2. Слова с 8192 по 12 287 будут сохранены на диске.
3. Слова с 8192 до 12 287 будут загружены в основную память.
4. Отображение адресов изменится: адреса с 8192 по 12 287 будут соответствовать ячейкам памяти с 0 по 4095.
5. Выполнение программы продолжится, как будто ничего необычного не случилось.
Такая технология автоматического наложения называется страничной организацией памяти, а фрагменты программы, которые считываются с диска, — страницами.
Вар2.
В самом простом и наиболее распространенном случае страничной организации памяти (или paging) как логическое адресное пространство, так и физическое представляются состоящими из наборов блоков или страниц одинакового размера. При этом образуются логические страницы (page), а соответствующие единицы в физической памяти называют физическими страницами или страничными кадрами (page frames). Страницы (и страничные кадры) имеют фиксированную длину, обычно являющуюся степенью числа 2, и не могут перекрываться. Каждый кадр содержит одну страницу данных. При такой организации внешняя фрагментация отсутствует, а потери из-завнутренней фрагментации, поскольку процесс занимает целое числостраниц, ограничены частью последней страницы процесса.
Логический адрес в страничной системе – упорядоченная пара (p,d), где p – номер страницы в виртуальной памяти, а d – смещение в рамкахстраницы p, на которой размещается адресуемый элемент. Заметим, что разбиение адресного пространства на страницы осуществляется вычислительной системой незаметно для программиста. Поэтому адрес является двумерным лишь с точки зрения операционной системы, а с точки зрения программиста адресное пространство процесса остается линейным.
Интерпретация логического адреса показана на рис. 8.7. Если выполняемый процесс обращается к логическому адресу v = (p,d), механизм отображения ищет номер страницы p в таблице страниц и определяет, что эта страница находится в страничном кадре p', формируя реальный адрес из p' и d.
Рис. 8.7. Связь логического и физического адресов при страничной организации памяти
Таблица страниц (page table) адресуется при помощи специального регистра процессора и позволяет определить номер кадра по логическому адресу. Помимо этой основной задачи, при помощи атрибутов, записанных в строке таблицы страниц, можно организовать контроль доступа к конкретной странице и ее защиту.
Отметим еще раз различие точек зрения пользователя и системы на используемую память. С точки зрения пользователя, его память – единое непрерывное пространство, содержащее только одну программу. Реальное отображение скрыто от пользователя и контролируется ОС. Заметим, что процессу пользователя чужая память недоступна. Он не имеет возможности адресовать память за пределами своей таблицы страниц, которая включает только его собственные страницы.
Для управления физической памятью ОС поддерживает структуру таблицы кадров. Она имеет одну запись на каждый физический кадр, показывающий его состояние.