Управление памятью
Память является одним из наиболее востребованных системных ресурсов. От эффективности управления памятью существенно зависит работа всей вычислительной системы. Любая программа может выполняться только если ее код и данные размещены в оперативной памяти компьютера. В многозадачной системе память не может вместить все запущенные программы одновременно, поэтому операционная система должна динамически перераспределять память между конкурирующими процессами. От того, насколько эффективно выполняется такое перераспределение, зависит быстродействие системы. При ошибках распределения памяти, например, если перекрылись участки памяти, распределенные различным процессам, возникают трудно обнаружимые ошибки.
Отметим также, что защита данных пользовательских и системных программ в современных операционных системах реализуется на основе контролируемого доступа к участкам памяти.
Таким образом, подсистема управления памятью в составе операционной системы является одним из фундаментальных системных механизмов, жизненно важных как для самой операционной системы, так и для всех выполняемых программ.
Если рассматривать память в рамках виртуальной машины, абстрагируясь от деталей реализации, можно выделить два основных требования, предъявляемых к ней:
объем памяти – характеристика, определяющая сколько единиц информации может одновременно хранить данная память.
среднее время доступа – характеристика, определяющая сколько в среднем времени затрачивается на выполнение одной операцию чтения или записи.
Очевидно, что чем больше объем памяти и меньше среднее время доступа к ней, тем быстрее будут выполняться программы. К сожалению, стоимость памяти очень быстро растет с ростом ее производительности, поэтому объем быстродействующей памяти реальной машины всегда ограничен.
Для того, чтобы в условиях дефицита быстродействующей памяти сохранить высокий уровень производительности, в современных компьютноах используется иерархическая модель памяти, рассмотрим ее.
3.1 Иерархическая модель памяти
Основная идея иерархической модели памяти состоит в следующем. Память системы разделяется на уровни иерархии, представленные запоминающими устройствами различного типа – с разным объемом и временем доступа. При этом, чем меньше быстродействие устройства памяти, тем больше должен быть его объем.
На верхнем уровне иерархии находится наиболее быстродействующее устройство памяти, на нижнем – наименее быстродействующее, но зато с наибольшим объемом.
Для всей иерархической структуры памяти соблюдается следующее правило: при переходе от вышележащего уровня к нижележащему быстродействие памяти уменьшается, а ее объем увеличивается.
Процессор непосредственно взаимодействует с верхним, наиболее быстрым уровнем памяти. Верхний уровень пытается самостоятельно обслужить запросы процессора на ввод-вывод данных, но если вдруг требуемых данных на верхнем уровне памяти не оказалось, то подсистема управления памятью обращается к нижележащему уровню памяти, и т.д., пока требуемые данные не будут обнаружены, или пока не будет получен отказ от самого нижнего уровня в иерархии памяти.
Все современные компьютеры реализуют многоуровневую модель памяти, включающую, как минимум, три уровня иерархии, как показано на рис. 21.
Рис.21. Иерархия памяти в современном компьютере
На верхнем уровне иерархии находится процессорный кэш– наиболее быстрая, но и наиболее дорогая память, ее объем в системе минимален, порядка сотен или тысяч килобайт. Для ускорения работы, процессорный кэш часто располагается непосредственно в корпусе процессора (или даже на общем кристалле с вычислительным ядром). В зависимости от типа процессора, в нем может быть представлено несколько уровней кэша.
Основная (или оперативная) память представляет средний уровень иерархии памяти в системе. Сейчас это электронная память с довольно высоким быстродействием. Ее объем в современных настольных компьютерах обычно составляет до нескольких гигабайт, что примерно в тысячу раз превосходит объем кэша, но при этом ОЗУ в несколько раз уступает кэшу по быстродействию.
Нижний уровень иерархии – вторичная память, представлен дисковым накопителем. Его объем составляет десятки и сотни гигабайт, что в сотни и тысячи раз больше ОЗУ. Но так как диск это электромеханическое, а не чисто электронное устройство, его производительность многократно, в тысячи раз, уступает производительности ОЗУ. Дисковый накопитель используется для долговременного хранения больших объемов данных, потребности в которых в данный момент нет.
За взаимодействие этих уровней памяти и за передачу данных между ними отвечает программно-аппаратная подсистема управления памятью, представляющая собой сочетание аппаратных средств в составе процессора и программного кода в составе операционной системы. В дальнейшем мы детально изучим этот механизм, а пока оценим производительность, достигаемую при иерархической организации памяти.