Основная память

Данные Пересылка с применением ПДП

(

Дисковая память

или команды)

Рис. 8.2 Организация виртуальной памяти

Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю. Трансляцию виртуальных адресов в физические выполняет модуль управления памятью или же диспетчер памяти (Memory Management Unit). Когда нужные данные (или команды) отсутствуют в основой памяти, диспетчер перемещает их туда с диска, для этого используется механизм ПДП.

Страничная организация памяти

О несоответствии адресного пространства логической памяти реальному объему физической памяти мы уже говорили. Теперь посмотрим, как это противоречие преодолевается в современных процессорах, но начнем с более простого примера.

Пусть наш компьютер имеет 16-битное поле адреса и всего лишь 4096 слов оперативной памяти (PDP-11). Программа, работающая на нем, могла бы обращаться к 65536 словам (2¹⁶=65536), но такого количества слов просто нет. До изобретения виртуальной памяти все адреса, которые были равны или больше адреса 4096 считались бесполезными, не существующими.

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 от 0 до 4095. Например, мы могли бы сообщить компьютеру, что при обращении к адресу 4096 должно использоваться слово из памяти с адресом 0, при обращении к адресу 4097 – слово с адресом 1, а при обращении к адресу 8191 – слово с адресом 4095 и т.д. Другими словами, мы отобразили логическое адресное пространство на действительные адреса физической памяти (рис. 8.3)

Адресное пространство

Адрес

Основная память – 16 К

8191 Отображение

4096 4095

0 0

4 К основной памяти

Рис. 8.3 Виртуальные адреса памяти с 4096 по 8191 отображаются в адреса основной памяти с 0 по 4095

Возникает вопрос: а что произойдет, если программа совершит переход в один из адресов с 8192 по 12287? В машине без виртуальной памяти на экране появится фраза «Несуществующий адрес памяти» и выполнение программы остановится. В машине с виртуальной памятью будет иметь следующая последовательность действий:

1. Слова с 4096 до 8191 будут выгружены на диск.

2. Слова с 8102 до 12287 будут загружены с диска в основную память.

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

4. Выполнение программы продолжится.

Если теперь добавить в основную память еще три блока по 4 К, то мы сможем отобразить полностью 64 К адресного пространства на всего лишь 4К физической памяти. Такая технология автоматического наложения называется страничной организацией памяти, а куски программы, которые считываются с диска, называются страницами. Необходимо подчеркнуть, что страничная организация памяти создает иллюзию большой линейной основной памяти такого же размера, как адресное пространство. Программист может писать программы и при этом ничего не знать о существовании страничной организации памяти, этот механизм называют прозрачным.

Страничное управление памятью – это общепринятый механизм организации виртуальной памяти с подкачкой страниц по запросу. Страничная трансляция адресов выполняется блоком управления памятью (Memory Management Unit – MMU), расположенным в процессоре, с использованием каталогов и таблиц дескрипторов страниц – структур в физической ОП. Блок MMU делит линейный адрес на виртуальные страницы фиксированного размера (4К, 4М, 2М). На такие же страницы делится и адресное пространство физических адресов.