Глава 8. Организация виртуальной памяти

Предпосылки появления виртуальной памяти

Виртуальная память появилась для решения проблем многопрограммных пакетных режимов работы и режимов коллективного доступа высокопроизводительных ЭВМ.

Основными требованиями этих режимов являлись:

• независимость подготовки программ,

• исключение взаимных помех.

Требование независимости подготовки программ

Это требование заключается в том, что при написании программ программист может использовать любые адреса оперативной памяти без учета потребностей других программ, т.е. учитывать возможности и ограничения только математической памяти. Все проблемы по распределению оперативной памяти и переписыванию программ под выделенные адреса оперативной памяти должны решаться на аппаратном уровне или уровне операционных систем.

Проблема переадресации программ

Проблема переадресации программ заключается в том, что в большинстве программ операнды в командах и целевые точки передачи управления задаются абсолютными адресами физической памяти, а не адресами математической памяти программиста. Поэтому при распределении программ по свободным участкам памяти требуется настройка команд программы на новые адреса.

Проблема свопинга

Проблема свопинга заключается в том, что емкость оперативной памяти, в большинстве случаев, меньше емкости математической памяти. Поэтому изначально сегменты программ и данных хранятся в памяти прямого доступа (память на магнитных дисках) и отдельными порциями переписываются в оперативную память, после сохранения содержимого этих участков в памяти прямого доступа. Этот обмен и называется свопингом.

Требование исключения взаимных помех

Требование исключения взаимных помех заключается в том, что возможные конфликты программ должны разрешаться также на уровне операционных систем.

Для исключения взаимных помех в ЭВМ используются операционные системы, которые реализуют заданные стратегии многопрограммной обработки, многие функции управления ЭВМ для пользовательских программ становятся недоступными, команды разделяются на обычные и привилегированные, программы – на пользовательские и программы операционных систем. Использование привилегированных команд в пользовательских программах запрещено. Их появление вызывает прерывание по некорректному использованию команд.

Но такое решение ограничивает возможности программиста по управлению ресурсами ЭВМ. Поэтому в пределах программ операционной системы предусмотрен ряд корректно написанных сервисных программ по управлению этими ресурсами. Для их использования предусмотрены стандартные вызовы, например, через команды прерывания.

Вопросы для самопроверки:

1. Требование независимости подготовки программ.

2. Требование исключения взаимных помех.

3. Проблема переадресации программ.

4. Проблема свопинга.

8.2. Основные задачи виртуальной памяти

Основными задачами виртуальной памяти являются реализации:

• динамической переадресации программ,

• памяти единого уровня.

Переадресации программ

В соответствии с основной концепцией виртуальной памяти пользователи могут писать программы с использованием любых адресов математической памяти. Переадресация программ заключается в изменении всех адресов обращения к памяти за командами и данными в соответствии с адресами памяти, выделенными операционной системой.

Имеется два способа переадресации программ: программный и аппаратный.

Аппаратный способ переадресации используется в механизме виртуальной памяти – памяти единого уровня

В современных ЭВМ используется многоуровневая физическая память: оперативная, энергонезависимая память на основе магнитных дисков и архивная память на основе записи на магнитных лентах. В многопрограммных режимах работы программисту подконтрольна только математическая память (набор адресов, которые можно использовать в программах). Если этого достаточно для управления работой процессора, включая подкачку данных из памяти прямого доступа (свопинг), то говорят о реализации виртуальной памяти.

Таким образом, в понятие виртуальной памяти входят два механизма: динамическая переадресация и построение памяти единого уровня.