7.6. Требования к управлению памятью

Рассказывая о концепциях виртуальной памяти, мы предполагали, что в системе выполняется только одна большая программа. Если вся программа не помещает­ся в физическую память, ее части (страницы) перемещаются с диска в основную память, когда приходит время их выполнения. И хотя мы упоминали о том, что управление перемещением сегментов программы между основной памятью и ди­ском производится соответствующим программным обеспечением, деталей этого процесса мы не касались.

Программы управления виртуальной памятью являются частью операционной системы компьютера. Программы операционной системы удобно объединять в вир­туальное адресное пространство, которое называется системным пространством и отделяется от виртуального адресного пространства, где выполняются прикладные программы. Последнее называется пространством пользователя. Фактически пользовательских адресных пространств может быть множество, по одному для каждого пользователя. В этом случае для каждой прикладной программы созда­ется отдельная таблица страниц. MMU считывает ее адрес из базового регистра таблицы страниц. При переключении от одной программы к другой операцион­ная система изменяет содержимое этого регистра. Таким образом, физическая ос­новная память делится между активными страницами системного пространства и нескольких пользовательских пространств. Причем в каждый конкретный мо­мент доступны страницы только одного из этих пространств.

В любой компьютерной системе, в которой в основной памяти сосуществуют независимые пользовательские программы, используется тот или иной вид защи­ты. Ни одна программа не должна иметь возможности разрушать данные или ко­манды других программ. Такая защита может обеспечиваться несколькими спо­собами. Мы же для начала рассмотрим наиболее простую ее форму. Напомним, что в простейшей системе процессор может находиться в одном из двух состоя­ний — супервизора или пользователя. При выполнении подпрограмм операцион­ной системы процессор работает в режиме супервизора, а при выполнении при­кладных программ — в режиме пользователя. В последнем случае запрещено выполнение некоторых машинных команд. Привилегированные команды, выпол­няющие такие операции, как, скажем, модификация базового регистра таблицы страниц, могут быть реализованы только в режиме супервизора. Это значит, что пользовательская программа не имеет доступа ни к таблице страниц, ни к другим адресным пространствам.

Иногда возникает необходимость предоставить прикладной программе доступ к страницам, принадлежащим другой прикладной программе. Для этого операци­онная система может включить эти страницы в оба адресных пространства, по­местив ссылки на них в две разные таблицы страниц. Для управления правами доступа, предоставляемыми каждой из программ, могут быть применены соответ­ствующие управляющие биты в таблице страниц. Например, одной программе может быть позволено и считывать и записывать некоторую страницу, а другой — только считывать.

Выводы

Память является одним из основных компонентов любого компьютера. Ее ем­кость и быстродействие в значительной степени определяют производительность всей компьютерной системы. В этой главе мы рассмотрели наиболее важные тех­нологии создания и детали организации памяти и запоминающих устройств.

В результате постоянно проводимых разработок в области полупроводнико­вой технологии скорость функционирования и емкость микросхем памяти увели­чиваются просто с впечатляющей скоростью, а их стоимость в пересчете на бит хранимой информации непрерывно снижается. Однако процессорные микросхе­мы совершенствуются еще быстрее, и в отношении быстродействия они значи­тельно опередили микросхемы памяти. Для того чтобы в полной мере использо­вать возможности современных процессоров, компьютер должен обладать большой и быстрой памятью. А поскольку не менее важным показателем являет­ся ее стоимость, нельзя просто реализовать всю память на быстродействующих микросхемах SRAM. Поэтому, как было показано в этой главе, проблема решает­ся путем создания иерархии памяти.

На сегодняшний день память достаточно большого объема и с приемлемой стоимостью реализуется на основе микросхем DRAM. Правда, работает она на порядок медленнее быстрого процессора, поэтому для сокращения времени дос­тупа процессора к памяти используется кэш-память на основе микросхем SRAM. Время ожидания памяти является одним из важнейших параметров производи­тельности компьютера, на уменьшение которого постоянно направляются усилия разработчиков. Множество исследований проводится с целью создания схем, по­зволяющих минимизировать влияние задержки при обращении к памяти. В этой главе было показано, как буферизация записи и упреждающая выборка могут со­кратить влияние такой задержки путем обращений к памяти в те промежутки времени, когда к ней не производится высокоприоритетный доступ с целью обра­ботки промахов чтения. Время доступа к памяти можно сократить еще одним способом — путем параллельного доступа к последовательным словам. В совре­менные микросхемы памяти закладывается и такая возможность.

Вторичные запоминающие устройства в виде магнитных и оптических дисков располагаются на нижнем уровне иерархии памяти, имеющем наибольшую ем­кость. Механизм виртуальной памяти делает взаимодействие между диском и ос­новной памятью прозрачным для пользователя. Аппаратная поддержка вирту­альной памяти давно уже стала стандартной функцией процессоров.

История развития магнитных дисков служит одним из наиболее впечатляю­щих примеров эволюции компьютерных технологий. Они всегда были самой мед­ленной частью иерархии памяти. Время от времени, при появлении какой-либо из новых многообещающих технологий, судьба магнитных дисков оказывалась под вопросом. В начале 1980-х казалось, что в ближайшем будущем их вытеснит технология цилиндрических магнитных доменов. Еще недавно их конкурентами считались флэш-диски и оптические диски. Но магнитные диски не только не вы­теснены из обихода, а следовательно, с рынка, а, напротив, сохраняют огромную популярность и постоянно совершенствуются. Увеличивается их емкость, умень­шаются габариты, неуклонно снижается стоимость в пересчете на бит.

22