22.3.2. Сегментно-страничная организация памяти

До сих пор предполагалось, что виртуальная память, которой располагает программист, представляет собой непрерывный массив с единой нумерацией байтов. Такое логическое адресное пространство называют еще плоским или линейным. Между тем программа обычно состоит из нескольких массивов-подпрограмм, одной или нескольких секций данных. При программировании длина таких массивов (программных модулей) получается произвольной (различной), поэтому удобно, чтобы каждый массив имел свою собственную нумерацию байтов, начинающуюся с нуля. Желательно также, чтобы составленная таким образом программа могла работать при динамическом распределении памяти, не требуя от программиста усилий по объединению различных ее частей в единый массив. В современных вычислительных системах эта задача решается путем использования особого метода преобразования виртуальных адресов в физические, называемого сегментно-страничной организацией памяти.

Виртуальная память каждой программы делится на части, называемые сегментами, с независимой адресацией байтов внутри каждой части. При этом к виртуальному адресу добавляются дополнительные разряды левее номера страницы. Эти разряды определят номер сегмента.

Возникает определенная иерархия в организации программ, состоящая из четырех ступеней: программа-сегмент-страница-байт. Этой иерархии программ соответствует иерархия таблиц, служащих для перевода виртуальных адресов в физические. Программная таблица для каждой программы, загруженной в систему, указывает начальный адрес соответствующей сегментной таблицы. Сегментная таблица перечисляет сегменты данной программы с указанием начального адреса страничной таблицы, относящейся к данному сегменту. Страничная таблица определяет расположение каждой из страниц сегмента в памяти. Страницы сегмента могут располагаться не подряд – часть страниц данного сегмента может находиться в ОП, остальные во внешней памяти.

Следует отметить, что страничная организация памяти, сегментация памяти и разнообразные их комбинации и сочетания возникли в ранних универсальных вычислительных машинах, таких как IBM 360/370. В РС механизм сегментно-страничной адресации появился существенно позднее. Первыми процессорами фирмы Intel, имеющими аппаратную поддержку механизма сегментации памяти, являлись процессоры I80286. Однако наиболее широко защищенный режим (многозадачность, виртуальная память) стал использоваться с появлением 32-разрядных процессоров, в частности процессоров I80386, имеющих аппаратную поддержку механизма сегментно-страничной организации памяти. Такая поддержка позволила разработчикам системного программного обеспечения строить логическое адресное пространство памяти в соответствии с потребностями, определяемыми функциональным назначением ЭВМ. Процессор I80386 может работать как в реальном, так и защищенном режимах и поддерживает следующие варианты логической организации памяти:

• плоское (линейное) логическое адресное пространство, представляющее собой массив байтов со сплошной нумерацией;

• сегментированное логическое адресное пространство, состоящее из некоторого числа сегментов, каждый из которых содержит переменное число байтов;

• страничное логическое адресное пространство, состоящее из большого числа страниц, каждая из которых включает фиксированное число байтов;

• сегментно-страничное адресное пространство, состоящее из некоторого числа сегментов, которые, в свою очередь, состоят из целого числа страниц.

Процессор I80386 поддерживает 16000 сегментов различного объема. Размер каждого сегмента может достигать 4 Гбайт, что позволяет реализовывать управление виртуальной памятью емкостью до 64 Тбайт (в многозадачном режиме 16000 сегментов – для каждой новой задачи).

Перечисленные возможности позволяют программисту, в случае необходимости, использовать защищенный режим и разбить виртуальную память ЭВМ на сегменты. При этом каждому модулю программных кодов можно присвоить свой собственный логический сегмент памяти. Пользуясь моделью сегментной адресации, программист может разделить логическое адресное пространство, например, на сегменты данных, кодов программ, стека и несколько дополнительных сегментов. Это будет способствовать достаточно простой реализации механизмов, обеспечивающих защиту отдельных модулей, разделение информации между сегментами, а также совместную или раздельную их обработку.

Виртуальную память можно поделить также на страницы. В отличие от сегментов, для которых допускаются переменные размеры и размещение в ОП, наиболее приемлемые для программных модулей страницы имеют фиксированный размер 4 Кбайт и жесткую привязку к адресам памяти. Страничная организация памяти придает алгоритмам перекачки данных в процедурах размещения, запоминания и поиска более рациональную форму благодаря равномерности распределения блоков памяти в адресном пространстве. В любой программе можно объединить основные принципы каждого из рассмотренных способов управления памятью, если, допустим, логическое адресное пространство разделить на сегменты, а для управления физической памятью применить методы страничной организации. Размер страницы 4 Кбайт хорошо подходит для функционирования операционных систем и для подсистем ВВ дисков, а также обеспечивает хороший коэффициент удачных обращений для внутрикристального кэш страниц. Следует отметить, что с появлением процессоров Pentium возникла возможность поддержки страниц размером 4 Мбайт. Однако при дальнейшем изложении материала размер страницы подразумевается 4 Кбайт.

Следует, однако, иметь в виду, что виртуальной памяти как физического объекта не существует (в отличие от кэш-памяти), хотя она и имеет определенную аппаратную поддержку. Виртуальная память является "порождением" операционной системы, поэтому и законы ее функционирования зависят от конкретного типа операционной системы.

Кроме того, фирмы-изготовители в процессе совершенствования аппаратной части стремятся сохранить преемственность поколений процессоров. Это позволяет использовать в новых моделях программное обеспечение, уже написанное для вычислительных систем, построенных на базе более ранних моделей процессоров, но делает алгоритмы обращения к памяти более консервативными. Такая преемственность достигается в основном двумя путями:

• Созданием новых моделей процессоров, расширенные системы команд которых "накрывают" системы команд прежних моделей. Так, все процессоры фирмы Intel семейства I80х86, в том числе 32-разрядные (I80386, I80486, Pentium, Pentium Pro), включают в себя как подмножество системы команд и архитектуры нижестоящих моделей, начиная с базовой модели I8088;

• Созданием новых операционных систем, поддерживающих возможность эмуляции прежних структур логического адресного пространства памяти. Так, все версии операционной системы MS-DOS, включая последние (например,MS DOS 6.22), поддерживали реальный режим, эмулирующий фактически адресное пространство PC/XT.