Типы адресов
Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса.
Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.
Виртуальные адреса, называемые иногда математическими, или логическими адресами, вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время трансляции в общем случае неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой адрес.
Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды.
Физическое и логическое адресное пространство
Адрес, генерируемый центральным процессором, обычно является логическим, а адрес, по которому осуществляется непосредственный доступ к оперативной памяти – физическим.
Схемы привязки адресов на этапе компиляции и загрузки пригодны для оборудования, на котором логические и физические адреса совпадают. Однако, при привязке во время выполнения требуется оборудование, различающее физические и логические адреса. В этом случае логические адреса обычно называют виртуальными. Множество логических адресов, сгенерированных программой, называется ее логическим адресным пространством.
Преобразование виртуальных адресов в физические выполняется специальным блоком управления памятью MMU (memory management unit). Существуют различные схемы такого преобразования. В простейшей схеме используется регистр базы (base relocation register). Значение этого регистра просто прибавляется к каждому адресу программы (см. рис. 11.1)
Заметим, что пользовательская программа никогда не использует физические адреса. Каждый адрес программы – это смещение относительно регистра базы.
Пользовательская программа генерирует логические адреса. Специальное оборудование преобразовывает логические адреса в физические.
Концепция отделения логического адресного пространства от физического является центральной в управлении памятью.
Рисунок 11.25 – Простейшая схема преобразования логического адреса в физический
Связывание адресов
Итак, логические и физические адресные пространства ни по организации, ни по размеру не соответствуют друг другу. Максимальный размер логического адресного пространства обычно определяется разрядностью процессора (например, 232) и в современных системах значительно превышает размер физического адресного пространства. Следовательно, процессор и ОС должны быть способны отобразить ссылки в коде программы в реальные физические адреса, соответствующие текущему расположению программы в основной памяти. Такое отображение адресов называют трансляцией (привязкой) адреса или связыванием адресов.
Связывание логического адреса, порожденного оператором программы, с физическим должно быть осуществлено до начала выполнения оператора или в момент его выполнения. Таким образом, привязка команд и данных к памяти в принципе может быть сделана на следующих шагах (см. рис. 11.2).
Рисунок 11.26 – Этапы жизненного цикла программы
Этап компиляции (Compile time). Когда на стадии компиляции известно точное место размещения процесса в памяти, тогда непосредственно генерируются физические адреса. При изменении стартового адреса программы необходимо перекомпилировать ее код. В качестве примера можно привести COM-программы MS-DOS, которые связывают ее с физическими адресами на стадии компиляции.
Этап загрузки (Load time). Если информация о размещении программы на стадии компиляции отсутствует, компилятор генерирует перемещаемый код. В этом случае окончательное связывание откладывается до момента загрузки. Если стартовый адрес меняется, нужно всего лишь перезагрузить код с учетом измененной величины.
Этап выполнения (Execution time). Если процесс может быть перемещен во время выполнения из одной области памяти в другую, связывание откладывается до стадии выполнения. Здесь желательно наличие специализированного оборудования, например регистров перемещения. Их значение прибавляется к каждому адресу, сгенерированному процессом. Большинство современных ОС осуществляет трансляцию адресов на этапе выполнения, используя для этого специальный аппаратный механизм.