10. Управление памятью. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти

На лекции рассматриваются следующие вопросы:

1) Проблема размещения больших программ. Понятие виртуальной памяти

2) Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти (страничная память, сегментная организации памяти, сегментно-страничная организации памяти, таблица страниц, ассоциативная память, иерархия памяти, размер страницы)

1. Проблема размещения больших программ. Понятие виртуальной памяти

Уже давно существует проблема размещения в памяти программ, размер которых превышает размер доступной памяти. Один из вариантов ее решения организация структур с перекрытием рассмотрен в предыдущей главе. При этом предполагалось активное участие программиста в процессе сегментации и загрузки программы. Было предложено переложить проблему на компьютер. Развитие архитектуры компьютеров привело к значительному усложнению организации памяти, соответственно, усложнились и расширились задачи операционной системы по управлению памятью. Одним из главных усовершенствований архитектуры стало появление виртуальной памяти (virtual memory). Она впервые была реализована в 1959 г. на компьютере Атлас, разработанном в Манчестерском университете, и стала популярной только спустя десятилетие.

При помощи виртуальной памяти обычно решают две задачи.

Во-первых, виртуальная память позволяет адресовать пространство, гораздо большее, чем емкость физической памяти конкретной вычислительной машины. В соответствии с принципом локальности для реальных программ обычно нет необходимости в помещении их в физическую память целиком.

Возможность выполнения программы, находящейся в памяти лишь частично имеет ряд вполне очевидных преимуществ:

1) Программа не ограничена величиной физической памяти. Упрощается разработка программ, поскольку можно задействовать большие виртуальные пространства, не заботясь о размере используемой памяти.

2) Поскольку появляется возможность частичного помещения программы (процесса) в память и гибкого перераспределения памяти между программами, можно разместить в памяти больше программ, что увеличивает загрузку процессора и пропускную способность системы.

3) Объем ввода-вывода для выгрузки части программы на диск может быть меньше, чем в варианте классического свопинга, в итоге, каждая программа будет работать быстрее.

Таким образом, возможность обеспечения (при поддержке операционной системы) для программы видимости практически неограниченной (32- или 64-разрядной) адресуемой пользовательской памяти при наличии основной памяти существенно меньших размеров очень важный аспект.

Введение виртуальной памяти позволяет решать другую задачу - обеспечение контроля доступа к отдельным сегментам памяти и в частности защиту пользовательских программ друг от друга и защиту ОС от пользовательских программ.

С целью защиты виртуальная память поддерживалась и на компьютерах с 16-разрядной адресацией, в которых объем основной памяти зачастую существенно превышал 64 Кбайта (размер виртуальной памяти). Например, 16-разрядный компьютер PDP-11/70 мог иметь до 2 Мбайт оперативной памяти. Операционная система этого компьютера, тем не менее, поддерживала виртуальную память, основным смыслом которой являлось обеспечение защиты и перераспределения основной памяти между пользовательскими процессами.

Напомним, что в системах с виртуальной памятью генерируемые программой адреса (логические адреса), называются виртуальными, и они формируют виртуальное адресное пространство. В отсутствие механизма виртуальной памяти виртуальное адресное пространство непосредственно отображается в физическое пространство.

Хотя известны и чисто программные реализации виртуальной памяти, это направление получило наиболее широкое развитие после получения соответствующей аппаратной поддержки. Идея аппаратной части механизма виртуальной памяти состоит в том, что адрес памяти, вырабатываемый командой, интерпретируется аппаратурой не как реальный адрес некоторого элемента основной памяти, а как некоторая структура, где адрес является лишь одним из компонентов наряду с атрибутами, характеризующими способ обращения по данному адресу.

Традиционно считается, что существует три модели виртуальной памяти:

- страничная;

- сегментная;

- сегментно-страничная модель.

Большинством современных платформ поддерживается страничная модель виртуальной памяти (Windows, Unix). Сегментная модель использовалась в OS/2 и MS-DOS.