1.6. Управление оперативной памятью вычислительной системы

Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — часть памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Она предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Система управления оперативной памятью должна поддерживать [3]:

1. перемещение программ из одной области памяти в другую (поддержка относительности адреса);

2. защиту одного процесса от влияния других;

3. совместное использование процессами памяти для взаимодействия (обратная защита) – механизмы межпроцессного взаимодействия (IPC);

4. поддержка логических операций с адресацией;

5. поддержка физических операций с адресацией.

Пусть процесс занимает непрерывную область основной памяти. ОС необходимо знать местоположение управляющей информации процесса и стека исполнения, а также точки входа для начала выполнения процесса. Поскольку управлением памятью занимается ОС и она же размещает процесс в основной памяти, соответствующие адреса она получает автоматически. Однако помимо получения ОС указанной информации, процесс должен иметь возможность обращаться к памяти в самой программе. Так команды ветвления содержат адреса, указывающие на команды, которые должны быть выполнены после них; команды обращения к данным – адреса байтов и слов, с которыми они работают. ОС переводит ссылки в коде программы (логические адлеса) в реальные физические адреса, соответствующие текущему расположению процесса в основной памяти рис. 13.

00000000 h

FFFFFFFF h

Рис. 13.Образ процесса в оперативной памяти

Система управления памятью характеризуется :

1. Стратегией выборки. Страница загружается в оперативную память, как по требованию процесса, так и с использованием стратегии предварительной выборки, при которой происходит загрузка страниц кластерами [3].

2. Стратегией размещения. При использовани сегментации все вновь загруженные сегменты должны быть размещены в доступном адресном пространстве.

3. Стратегией замещения. При заполнении памяти следует принимать решение о том, какая страница будет замещена загружаемой в оперативную память новой страницей.

4. Стратегией очистки. Изменённые страницы процесса должны быть записаны (сохранены) при их замещении.

5. Управление загрузкой: заключается в определении количества процессов, которые должны быть резидентны в оперативной памяти в данный момент.

6. Управление резидентным множеством процессов. ОС определяет сколько памяти отводить процессу при загрузке его в оперативную память. Память может быть выделена статически в момент создания процесса, либо изменяться динамически в процессе работы [3].

Рассмотрим случай, когда основная память разделена на одинаковые блоки относительно небольшого фиксированного размера. Тогда блоки процесса, известные как страницы (pages), могут быть связны со свободными блоками памяти, известными как кадры (frames) или фрэймы. Каждый кадр оперативной памяти может содержать одну страницу процесса. В каждый момент времени некоторые из кадров памяти используются, а некотрые свободны. ОС содержит список свободных кадров (рис.14 а).

Кадр	Осн.Пам.	Кадр	Осн.Пам.	Кадр	Осн.Пам.	Кадр	Осн.Пам.	Кадр	Осн.Пам.	Кадр	Осн.Пам.
0		0	A.0	0	A.0	0	A.0	0	A.0	0	A.0
1		1	A.1	1	A.1	1	A.1	1	A.1	1	A.1
2		2	A.2	2	A.2	2	A.2	2	A.2	2	A.2
3		3	A.3	3	A.3	3	A.3	3	A.3	3	A.3
4		4		4	B.0	4	B.0	4		4	D.0
5		5		5	B.1	5	B.1	5		5	D.1
6		6		6	B.2	6	B.2	6		6	D.2
7		7		7		7	C.0	7	C.0	7	C.0
8		8		8		8	C.1	8	C.1	8	C.1
9		9		9		9	C.2	9	C.2	9	C.2
10		10		10		10	C.3	10	C.3	10	C.3
11		11		11		11		11		11	D.3
12		12		12		12		12		12	D.4
13		13		13		13		13		13
14		14		14		14		14		14
	а)		б)		в)		г)		Д)		е)

Рис. 14 Распределение страниц процессов по свободным кадрам:

а) 15 доступных кадров, б) загрузка процесса А, в) загрузка процесса В, г) загрузка порцесса С, д) выгрузка процесса В, е) загрузка процесса D.

Процесс А, хранящийся на диске, сотоит из четырех страниц. Когда приходит время загрузить его в память, ОС находит четыре свободных кадра и загружает страницы процесса А в эти кадры (рис. 14 б). Затем загружается процесс В, состоящий из трех страниц, и процесс С, сотоящий из четырех страниц. После этого процесс В приостанавливается и выгружается из основной памяти. Затем наступает момент, когда все процессы в памяти оказываются заблокированными, и ОС загружает в память новый процесс D, состящий из пяти сраниц. Но непрерывной области кадров в памяти нет и ОС используя таблицу сраниц процесса (она есть у каждого процесса) размещает страницы процесса D в кадрах 4,5,6,11,12 (рис. 14 е).

	Таблица страниц процесса А		Таблица страниц процесса B		Таблица страниц процесса C		Таблица страниц процесса D		Список свободных кадров
0	0	0	‑	0	7	0	4		13
1	1	1	‑	1	8	1	5		14
2	2	2	‑	2	9	2	6
3	3			3	10	3	11
						4	12

Рис. 15. Структуры данных процессов рис. 14е

Размеры оперативной памяти персональных компьютеров сегодняшнего дня постоянно отстают от запросов прикладного программного обеспечения. В имеющийся объем оперативной памяти не всегда удается загрузить операционную систему и несколько прикладных программ, особенно если их много и они громоздкие.

Выход из этой ситуации в использовании концепции виртуальной памяти. Виртуальная память — это логический ресурс, эмулирующий оперативную память путем использования как физической оперативной, так и дисковой памяти. Благодаря этому емкость виртуальной памяти получается больше реальной. Активный программный код должен находиться в физической оперативной памяти, остальной же код может временно храниться в ее «продолжении» на жестком диске. Когда управление передается фрагменту кода, хранящемуся на жестком диске, он загружается в физическую память. Если места в ней недостаточно, это приведет к выгрузке на диск пассивного кода. Процесс загрузки и выгрузки программного кода называется свопингом, или подкачкой. Его размер файла подкачки может динамически изменяется в зависимости от нужд системы, он не обязательно должен быть непрерывным и может находиться на сжатом диске. Виртуальная память имеет страничную организацию, поддерживаемую процессором. Страницей является блок памяти фиксированной длины. Процесс может занимать одну или несколько страниц памяти.

Страничная организация памяти. Каждый процесс имеет свою собственную таблицу страниц, которая создается при загрузке всех страниц процесса в основную память. Каждая запись в таблице страниц содержит номер кадра соответствующей страницы в памяти (рис.15). Поскольку в основной памяти могут находиться только некоторые из страниц процесса, в каждой записи таблицы должен иметься бит Р, указывающий на присутствие соответствующей страницы в основной памяти. Если данная страница располагается в основной памяти, то в записи таблицы содержится номер ее кадра.

Рис. 15. Типичные форматы систем управления памятью

Другим управляющим битом в записи таблицы страниц является бит модификации — М, который указывает, было ли изменено содержимое данной страницы со времени последней загрузки в основную память. Если изменений не было, то когда наступит время замены страницы в занимаемом ею в данный момент кадре, записывать эту страницу на диск не следует, так как на диске уже имеется ее точная копия. В записи таблицы страниц могут быть и другие управляющие биты, например, служащие для целей защиты или совместного использования памяти на уровне страниц.

Базовый механизм чтения слова из памяти включает в себя трансляцию логического, адреса, состоящего из номера страницы и смещения, в физический адрес, который представляет собой номер кадра и смещение, с использованием таблицы страниц (рис.16). Таблица страниц должна располагаться в основной памяти. При выполнении процесса стартовый адрес его таблицы страниц хранится в регистре, а номер страницы из виртуального адреса используется в качестве индекса элемента, в котором ищется соответствующий номер кадра.

Рис. 16. Страничная организация памяти

Затем этот номер объединяется со смещением из виртуального адреса для получения реального физического адреса интересующей нас ячейки памяти. Большинство схем виртуальной памяти хранят таблицы страниц не в реальной, а в виртуальной памяти. Это означает, что сами таблицы страниц становятся объектами страничной организации, как и любые другие страницы. При работе процесса как минимум часть его таблицы страниц должна располагаться в основной памяти, в том числе запись о странице, выполняющейся в настоящий момент [3].

Некоторые процессоры используют двухуровневую схему для больших таблиц страниц. При такой схеме имеется каталог таблиц страниц, в котором каждая запись указывает на таблицу страниц. Каждый виртуальный адрес вызывает обращение к двум физическим адресам: для выборки соответствующей записи из таблицы страниц и для обращения к адресуемым данным. Для преодоления этой проблемы большинство реально использующихся схем виртуальной памяти использует специальный кэш для записей таблицы страниц, который обычно называют буфером быстрого преобразования адреса TLB. Этот кэш содержит те записи таблицы страниц, которые использовались последними.

Сегментная модель оперативной памяти. Сегментация позволяет рассматривать память как область, состоящую из множества адресных пространств, или сегментов. Сегменты могут иметь динамические размеры. Обращения к памяти используют адреса, представляющие собой пары (номер сегмента, смещение). Каждый процесс имеет собственную таблицу сегментов, и при загрузке всех сегментов процесса в основную память создается таблица сегментов процесса, которая также загружается в основную память. В каждой записи таблицы сегментов указан начальный адрес соответствующего сегмента в основной памяти и его длина. Та же таблица сегментов нужна и при схеме виртуальной памяти, основанной на сегментации. Типичным приемом является использование отдельной таблицы сегментов для каждого процесса. Поскольку в основной памяти могут находится, не все сегменты процесса, в каждой записи требуется наличие бита присутствия, указывающего, располагается ли данный сегмент в основной памяти. Если сегмент расположен в основной памяти, то запись включает его начальный адрес и длину. Еще один бит, необходимый в данной схеме, — бит модификации, указывающий, было ли изменено содержимое сегмента со времени его последней загрузки в основную память (рис.15).

Основной механизм чтения слова из памяти включает преобразование логического, адреса, состоящего из номера сегмента и смещения, в физический адрес с использованием таблицы сегментов (рис.17). Когда запускается определенный процесс, в регистре хранится стартовый адрес его таблицы сегментов.

Номер сегмента из виртуального адреса используется в качестве индекса таблицы, позволяющего определить начальный адрес сегмента. Для получения физического адреса к начальному адресу сегмента добавляется смещение из виртуального адреса.

Рис. 17. Сегментная организация памяти

Комбинация сегментации и страничной организации памяти.

Страничная организация устраняет внешнюю фрагментацию и обеспечивает эффективное использование основной памяти. Поскольку перемещаемые в основную память и из нее блоки имеют фиксированный размер, облегчается создание эффективных алгоритмов управления памятью. Сегментация имеет возможность обработки растущих структур данных, поддержку совместного использования и защиты памяти. В комбинированной системе адресное пространство пользователя разбивается на ряд сегментов по усмотрению. Каждый сегмент в свою очередь разбивается на ряд страниц фиксированного размера, соответствующего размеру кадра основной памяти. Если размер сегмента меньше размера страницы, он занимает страницу целиком. Логический адрес в этом случае состоит из номера сегмента и смещения в нем (рис.18).

Смещение в сегменте следует рассматривать как номер страницы определенного сегмента и смещение в ней. С каждым процессом связана одна таблица сегментов и несколько (по одной на сегмент) таблиц страниц [3].

Рис. 18. Трансляция адреса при сегментной и страничной организации

При работе определенного процесса в регистре процессора хранится начальный адрес соответствующей таблицы сегментов. Получив виртуальный адрес, процессор использует его часть, представляющую номер сегмента, в качестве индекса в таблице сегментов.