52. Страничная организация памяти. Схема преобразования адресов.

Но данный подход имеет и свои недостатки. Во-первых, это страничная фрагментация, или внутренняя (скрытая) фрагментация: если в странице используется хотя бы один байт, то вся страница отводится процессу (т.е., решив вопрос с т.н. внешней фрагментацией, в указанном случае не используется память, размером со страницу минус один байт). К тому же описанная выше модель является вырожденной: если таблица страниц целиком располагается на регистровой памяти, то в силу дороговизны последней размеры подобной таблицы будут слишком малы (а следовательно, будет невелико количество физических страниц). Реальные современные системы имеют более сложную логическую организацию, и речь о ней пойдет ниже.

Напоследок заметим, что данное нами определение аппарата виртуальной памяти расходится с определениями некоторых других источников. Повторим, что мы рассматриваем механизм виртуальной памяти как механизм преобразования виртуального адресного пространства в физическое. Во многих изданиях, посвященных рассмотрению операционных систем, виртуальной памятью считается то, что позволяет часть программы размещать на внешних устройствах, т.е. считают механизм виртуальной памяти как средство увеличения объема физической памяти. Мы считаем такое определение некорректным. Если рассматривать, например, виртуальную память как механизм увеличения объема, то возникает вопрос: в случае большого объема физической памяти разве виртуальная память отсутствует? Соответственно, возникают проблемы с подобным определением.

И еще одно важное замечание. В компьютере имеется физическое адресное пространство и виртуальное. Физическое пространство — это та оперативная память, которая физически может быть подключена к компьютеру, а виртуальное адресное пространство — это то пространство, которое доступно программе. И возникает вопрос, что и каким способом задает максимальные размеры этих адресных пространств. На размер виртуального адресного пространства влияет разрядность исполнительных адресов, получаемых в ходе обработки программы на центральном процессоре. Размеры физического пространства определяется характеристикой компьютера: зависит от того, сколько физически можно подключить памяти к машине, и какова разрядность внутренней аппаратной шины. Но и то, и другое являются аппаратными характеристиками компьютера.

7. Многомашинные, многопроцессорные ассоциации

В настоящее время одиночный компьютер можно сравнить с телефонным аппаратом без телефонной сети. Т.е., говоря об ЭВМ, мы подразумеваем машину в некотором окружении и взаимодействии с другими машинами. В зависимости от степени интегрированности машин в рамках одного комплекса различают многопроцессорные ассоциации, где степень связанности машин довольно велика, и многомашинные ассоциации, в которых наблюдаются слабые связи между машинами (в некоторых случаях говорят о сетях ЭВМ).

Начиная данную тему, мы, следуя традиционному научному подходу, сначала рассмотрим классификацию — это позволит выявить среди большого разнообразия машинных ассоциаций группы с идентичными свойствами, которые помогут нам познакомиться с наиболее общими подходами, абстрагируясь от деталей реализации.

Для классификации существуют множество методов, проводящих деление по различным характеристикам (например, по производительности). Одна из наиболее простых классических классификаций — это классификация по Флинну (M.Flynn), основанная на оценке некоторых характеристик потоков информации в машине.

В контексте машины можно выделить два потока информации: поток управления (для передачи управляющих воздействий на конкретное устройство) и поток данных (циркулирующий между оперативной памятью и внешними устройствами). Возможны некоторые оптимизации данных потоков. В потоке команд — это переход от команд низкого уровня к высокоуровневым (когда ЦП вместо работы с микрокомандами начинает вырабатывать высокоуровневые команды, которые передаются «умному» устройству управления, непосредственно реализующему данные команды); в потоке данных — это исключение участия ЦП в обменах между внешними устройствами и оперативной памятью.

В классификации по Флинну выделяют следующие четыре архитектуры:

• ОКОД (одиночный поток команд, одиночный поток данных, или SISD  — single instruction, single data stream) — это традиционная однопроцессорная система (близкая машине фон Неймана).

• ОКМД (одиночный поток команд, множественный поток данных, или SIMD — single instruction, multiple data stream) — например, векторные компьютеры, способные оперировать векторами данных. Обычно для этих целей в данных машинах существуют векторные регистры, а также обычно имеются векторные операции, предполагающие векторную обработку.

• МКОД (множественный поток команд, одиночный поток данных, или MISD — multiple instruction, single data stream) — данный класс архитектур является спорным. Существуют различные точки зрения о существовании каких-либо систем данного класса, и если таковые имеются, то какие именно. В некотором смысле сюда можно отнести специализированные системы обработки видео- и аудиоинформации, а также конвейерные системы.

• МКМД (множественный поток команд, множественный поток данных, или MIMD — multiple instruction, multiple data stream) — это системы, которые содержат не менее двух устройств управления (это может быть один сложный процессор с множеством устройств управления). На сегодняшний день данная категория во многом определяет свойства и характеристики многопроцессорных и параллельных вычислительных систем.

Среди систем МКМД можно выделить два подкласса: системы с общей оперативной памятью и системы с распределенной памятью (Рис. 53.). Для систем первого типа характерно то, что любой процессор имеет непосредственный доступ к любой ячейке этой общей оперативной памяти. Слово «непосредственно» означает, что любой адрес может появляться в произвольной команде в любом из устройств управления. Системы с распределенной памятью представляют собою обычно объединение компьютерных узлов. Под узлом понимается самостоятельный процессор со своей локальной оперативной памятью. В данных системах любой процессор не может произвольно обращаться к памяти другого процессора. Указанные системы иллюстрируют противоположные подходы, на практике обычно встречаются промежуточные решения.