Лекции / Upravlenie_Osnovnoy_Pamyatyu

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнять инструкции протравы только в том случае, если они находятся в памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются:

• отслеживание свободной и занятой памяти.

• выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов.

• вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место.

• настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Типы адресов

Для идентификации команд программы и данных используются адреса.

·   Символьные имена. Присваивает программист для описания программы алгоритмического языка (например: метки);

·   Виртуальные адреса. Формирует транслятор переводящий на машинный язык. Начальный адрес равен нулю;

·   Физические адреса - номера ячеек памяти, где в действительности будут расположены команды и данные.

Совокупность виртуальных адресов составляет виртуальное адресное пространство. Виртуальное адресное пространство определяется разрядностью компьютера. Для 32-разрядных – это максимум FFFFFFFF, что составляет 4 Гб.

Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами. В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа - перемещающий загрузчик. Перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, и информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых константах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким, он допускает перемещение программы во время ее выполнения, в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти. Вместе с тем использование перемещающего загрузчика уменьшает накладные расходы, так как преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а во втором случае - каждый раз при обращении по данному адресу.

В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться программа, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Рис.9 Основные методы распределения памяти

Алгоритмы распределения памяти без использования внешней памяти. Распределение памяти фиксированными разделами

Рис.10 Основные способы распределения памяти фиксированными разделами

Распределение памяти динамическими разделами

При использовании данного метода память в начальный момент времени считается свободной (за исключением памяти отведенной под ОС). Каждому процессу отводится вся необходимая память. Если ее не хватает, то процесс не создается. В произвольный момент времени память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков.

Функции ОС:

-ведение таблиц свободных и занятых участков;

-поиск участка;

-загрузка и корректировка таблиц;

-после завершения процесса корректировка таблиц.

Достоинство: большая гибкость, по сравнению с методом распределения фиксированными разделами. Недостаток – высокий уровень фрагментации.

Распределение памяти перемещаемыми разделами

В этом методе разработчики попытались учесть достоинства и недостатки предыдущего.

Один из способов борьбы с фрагментацией – сжатие, таким образом, чтобы вся свободная память образовала непрерывную область – дефрагментация. Такой метод был применен в ранних версиях OS/2.

Рис.11 Распределение памяти перемещаемыми разделами

Недостаток этого метода – низкая производительность.

Алгоритмы распределения памяти с использованием внешней памяти

Для полной загрузки процессора могут понадобиться иногда сотни интерактивных задач.

Все они должны быть размещены в памяти, большая часть которых находится в состоянии ожидания.

Логично было бы на время ожидания, в случае нехватки физической памяти, вытеснять их на диск, а когда необходимо, возвращать в память.

Такая подмена (виртуализация) оперативной памяти дисковой памятью существенно повышает уровень мультипрограммирования.

Важно, что все действия по перемещению происходят автоматически, без участия программиста.

Для виртуализации применяются два основных подхода:

Свопинг – образ процесса выгружается на диск и возвращается в память целиком. Часто называется подкачкой.

Виртуальная память – образ процесса выгружается на диск и возвращается в память частями (сегментами, страницами...).

Реализация виртуальной памяти, представлена тремя классами: страничное распределение, сегментное, сегментно-страничное распределение.

Страничное распределение

При страничном распределении виртуальная память делится на части одинакового и фиксированного для данной системы размера, называемыми виртуальными страницами. Вся оперативная память также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами. Размер страницы выбирается равным степени двойки: 512, 1024, 4096 и т.д.

Рис12. Страничное распределение

где, таблица страниц – это внутренняя структура ОС. Адрес страницы входит в контекст процесса. Таблица страниц состоит из дескрипторов. Каждый дескриптор включает:

-номер физической таблицы;

-признак присутствия в ОЗУ (формируется аппаратно);

-признак модификации (формируется аппаратно);

-признак обращения (формируется аппаратно);

-пиртуальный адрес, который представлен парой (p, sv) преобразуется в (n, sf).

Объем страницы равен степени 2k, тогда смещение (s) можно получить отделением к разрядов.

Например. Если размер страницы = 1кб (210), то 50718 = 101 000 111 0012, 108=28 – номер страницы.

Схема обращения к физической памяти по виртуальному адресу при страничном распределении

Рис13. Схема преобразования виртуального адреса в физический при страничном распределении

Аппаратно, из регистра извлекается адрес таблицы страниц. На основании номера страницы Р и длины записи L, определяется адрес дескриптора (A=AT+P*L).

Из таблицы извлекается номер физической страницы N. К номеру N присоединяется смещение S.

Размер страниц, (часто 4096) влияет на размер таблиц, а это в свою очередь отражается на производительности. для устранения этого недостатка ВАП может делится на разделы, а в каждом разделе формируется своя таблица страниц. Этот вариант ускоряет поиск.

Сегментное распределение

При страничном распределении виртуальное адресное пространство делится на равные части механически, без учета смыслового значения данных. В одной странице могут одновременно оказаться код программы и исходные данные. Такой подход не позволяет обеспечить раздельную обработку, например защиту, совместный доступ и т.д.

Разбиение адресного пространства на "осмысленные" части устраняет эти недостатки и называется сегментным распределением. Примеры сегментов: код программы, массив исходных данных и пр.

На этапе создания процесса, ОС создает таблицу сегментов процесса, аналогичную таблице страниц (рис.13).

Рис.14. Распределение памяти сегментами

Рис.15. Схема преобразования виртуального адреса в физический при сегментном распределении

где, физический адрес получается путем сложения по модулю 2.

К недостаткам сегментного распределения можно отнести следующие:

Использование операции сложения при формировании физического адреса приводит к понижению производительности

Избыточность. Т.к. сегмент в общем случае может быть больше страницы, то следовательно единица обмена между ОЗУ и диском более крупная, что приводит к замедлению работы.

Сегментное - страничное распределение

Данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного механизмов управления памятью и направлен на реализацию достоинств обоих подходов.

Виртуальная память делится на сегменты, а каждый сегмент - на страницы.

Все современные ОС используют именно такой способ организации.

Рис.16. Схема преобразования виртуального адреса в физический при сегментно - страничном распределении