34. Таблицы страниц для больших объемов памяти.
Размер страницы влияет на количество записей в таблицах страниц. Чем меньше страница, тем более объемными являются таблицы страниц процессов и тем больше места они занимают в памяти. Учитывая, что в современных процессорах максимальный объем виртуального адресного пространства процесса, как правило, не меньше 4 Гбайт, то при размере страницы 4 Кбайт и длине записи 4 байта для хранения таблицы страниц может потребоваться 4 Мбайт памяти. При этом каждому процессу требуется своя собственная таблица страниц.
Мы не можем позволить себе хранить в оперативной памяти такое огромное количество информации. Для этого были созданы разные подходы к таблицам страниц.
1 Многоуровневые таблицы страниц
Идея заключается в том, что в оперативной памяти хранятся разделы, которые, в свою очередь, содержат ссылки на страницы. Это экономит память, но добавляет дополнительный этап преобразования адреса.
Для каждого раздела строится собственная таблица страниц. Количество дескрипторов в таблице и их размер подбираются такими, чтобы объем таблицы оказался равным объему страницы. Например, в процессоре Pentium при размере страницы 4 Кбайт длина дескриптора страницы составляет 4 байта и количество записей в таблице страниц, помещающейся на страницу, равняется соответственно 1024. Каждая таблица страниц описывается дескриптором, структура которого полностью совпадает со структурой дескриптора обычной страницы. Эти дескрипторы сведены в таблицу разделов, называемую также каталогом страниц. Физический адрес таблицы разделов активного процесса содержится в специальном регистре процессора и поэтому всегда известен операционной системе. Страница, содержащая таблицу разделов, никогда не выгружается из памяти, в противном случае работа виртуальной памяти была бы невозможна.
Достоинства: не надо иметь в памяти постоянно всю таблицу страниц, а только таблицу разделов;
Недостатки: дополнительный этап преобразования адреса
Схема преобразования виртуального адреса для двухуровневой структуризации адресного пространства (рисунок ниже)
1. Путем отбрасывания k+n младших разрядов в виртуальном адресе определяется номер раздела, к которому принадлежит данный виртуальный адрес.
2. По этому номеру из таблицы разделов извлекается дескриптор соответствующей таблицы страниц. Проверяется, находится ли данная таблица страниц в памяти. Если нет, происходит страничное прерывание и система загружает нужную страницу с диска.
3. Далее из этой таблицы страниц извлекается дескриптор виртуальной страницы, номер которой содержится в средних п разрядах преобразуемого виртуального адреса. Снова выполняется проверка наличия данной страницы в памяти и при необходимости ее загрузка.
4. Из дескриптора определяется номер (базовый адрес) физической страницы, в которую загружена данная виртуальная страница. К номеру физической страницы пристыковывается смещение, взятое из к младших разрядов виртуального адреса. В результате получается искомый физический адрес.
2 Инвертированные таблицы страниц
Главной сложностью данного решения является требование к процессору на аппаратном уровне работать с идентификаторами процессов.
Данная таблица упорядочивается по номерам физических страниц, а не виртуальных. Объем таблицы уменьшается за счет того, что физических адресов в системе всегда
меньше, чем виртуальных, и в инвертированной системе нужно хранить только
информацию о физических страницах.
Достоинства: гораздо меньше по объёму
Недостатки: не совсем ясно, как в ней искать виртуальный адрес
Этот подход применяется на машинах PowerPC, некоторых рабочих станциях Hewlett-Packard, IBM RT, IBM AS/400 и ряде других. В этой таблице содержится по одной записи на каждый страничный кадр физической памяти. Существенно, что достаточно одной таблицы для всех процессов. Таким образом, для хранения функции отображения требуется фиксированная часть основной памяти, независимо от разрядности архитектуры, размера и количества процессов. Например, для компьютера Pentium c 256 Мбайт оперативной памяти нужна таблица размером 64 Кбайт строк. Несмотря на экономию оперативной памяти, применение инвертированной таблицы имеет существенный минус – записи в ней (как и в ассоциативной памяти) не отсортированы по возрастанию номеров виртуальных страниц, что усложняет трансляцию адреса.
Возникает следующая проблема: поиск по таблице. Из запроса поступают виртуальные адреса. Нужно найти, какой физической странице соответствует запрошенный виртуальный адрес. Т.е. поиск занимает больше времени.
Один из способов решения данной проблемы – Для повышения скорости поиска используется хэширование (функция расстановки). При этом часть виртуального адреса, представляющая собой номер страницы, отображается в хеш-таблицу с использованием функции хеширования. Каждой странице физической памяти соответствует одна запись в хеш-таблице и инвертированной таблице страниц. Виртуальные адреса, имеющие одно значение хеш-функции, сцепляются друг с другом. Обычно длина цепочки не превышает двух записей.
Использование хэш-таблиц (функция расстановки)
