Страничная модель оперативной памяти

В случае использования страничной модели оперативная память рассматривается как совокупность блоков фиксированного размера (4 Кбайт). Основное применение этой модели связано с организацией виртуальной памяти, что позволяет операционной системе использовать для работы программ пространство памяти большее, чем объем физической памяти.

Суть механизма виртуальной памяти заключается в том, что у микропроцессора существует возможность по обмену страницами памяти с жестким диском. В случае, если программа требует памяти больше, чем объем физической памяти, редко используемые страницы памяти записываются на жесткий диск в специальный файл виртуальной памяти (файл обмена, или страничный файл, или файл подкачки, или swap-файл). Программа также разбивается на фрагменты – страницы. Все фрагменты программы одинаковой длины, кроме последней страницы. Говорят, что память разбивается на физические страницы, а программа - на виртуальные страницы.

Для каждой текущей задачи создается таблица страниц в ОП. Эта таблица для каждой страницы содержит ее физический адрес и признак присутствия (бит присутствия). Если бит присутствия равен 1, это означает, что данная страница сейчас размещена в ОП. Если бит присутствия равен 0, то страница расположена во внешней памяти.

Обращение к данным и командам внутри программы осуществляется по 32-разрядным виртуальным адресам. Так как обращаться к памяти можно только по реальным (физическим) адресам, то каждый компьютер с виртуальной памятью содержит устройство для преобразования виртуальных адресов в физические - контроллер управления памятью (MMU - Memory Management Unit). Он может находиться на микросхеме процессора или на отдельной микросхеме.

Когда в контроллер управления памятью поступает 32-битный виртуальный адрес, он разделяет этот адрес на 20-битный номер виртуальной страницы и 12-битное смещение внутри этой страницы. Номер виртуальной страницы используется в качестве индекса в таблице страниц для нахождения нужной страницы. Затем контроллер управления памятью проверяет, где находится нужная страница в текущий момент. Для этого используется бит присутствия. Если страница отсутствует в ОП, то она перемещается в нее из внешней памяти. Далее из выбранного элемента таблицы страниц берут физический адрес начала страницы в ОП и суммируют его с 12-битным смещением внутри этой страницы.

Защита страничной памяти основана на контроле уровня доступа к каждой странице. В таблице страниц каждая страница снабжается кодом уровня доступа (только чтение; чтение и запись; только выполнение). При работе со страницей сравнивается значение кода разрешенного уровня доступа с фактически требуемым. При несовпадении работа программы прерывается.

Основное достоинство страничного способа распределения памяти - эффективное распределение памяти. Недостатки страничной модели

• потери процессорного времени на обработку страниц;

• программы разбиваются на страницы случайно, без учета логических взаимосвязей, имеющихся в коде программы, поэтому межстраничные переходы осуществляются чаще, чем межсегментные.