Структура, основні принципи віртуалізації пам’яті.
Широко вживана концепція віртуальної пам’яті з’явилась давно. Основним питанням яке виникає при організації віртуальної пам’яті є забезпечення надійного функціонування багатозадачних систем.
В таких системах в будь–який момент часу виконуються декілька задач, кожна з яких має свій адресний простір. Використання всієї реальної пам’яті для однієї задачі є дорогим рішенням і тому віртуальна пам’ять призначена для розподілу реальної пам’яті між паралельно–працюючими задачами.
В рамках обчислювальної системи термін віртуальний ресурс – це такий ресурс, фізично якого не існує.
Використання концепції віртуальна пам’ять дозволяє розділити фізичну пам’ять на блоки, та розподілити їх між багатьма задачами. Однак цей спосіб вимагає наявності певної апаратної підтримки, зокрема необхідно мати певні регістри та відносну адресацію пам’яті.
Другим питанням, яке виникає при реалізації концепції віртуальної пам’яті є організація обчислень програм чи задач досить великого розміру. Наприклад, якщо програма є більша ніж розмір фізичної доступної оперативної пам’яті, то певну частину програми необхідно зберігати на зовнішніх носіях інформації, та організовувати правильне завантаження цих частин програми в певні розділи фізичної пам’яті.
1. Реальний і захищений режими роботи процесора.
Широко відомо, що першим мікропроцесором, на базі якого була створена IBM РС, був Intel 8088. Цей мікропроцесор відрізнявся від першого 16-розрядного мікропроцесора фірми Intel — 8086 — насамперед тим, що в нього була 8-бітова шина даних, а не 16-бітова (як у 8086). Обидва ці мікропроцесори призначалися для створення обчислювальних пристроїв, які б працювали в однозадачному режимі, тобто спеціальних апаратних засобів для підтримки надійних і ефективних мультипрограмних ОС у них не було. Однак на той час, коли розробники усвідомили необхідність включення в мікропроцесор спеціальної апаратної підтримки для мультипрограмних обчислень, вже було створено дуже багато програмних продуктів. Тому для сумісності з першими комп'ютерами в наступних версіях мікропроцесорів була реалізована можливість використовувати їх у двох режимах — реальному (real mode — так назвали режим роботи перших 16-бітових мікропроцесорів) і захищеному (protect mode – означає, що рівнобіжні обчислення можуть бути захищені апаратно-програмними механізмами).
Докладно розглядати архітектуру перших 16-бітових мікропроцесорів i8086/i8088 ми не будемо, оскільки цей матеріал повинен вивчатися в попередніх дисциплінах навчального плану. Однак нагадаємо, що в цих мікропроцесорах (а виходить, і в інших мікропроцесорах сімейства і80х86 при їх роботі у реальному режимі) звертання до пам'яті з можливим адресним простором у 1 Мбайт здійснюється за допомогою механізму сегментної адресації (мал. 3.1). Цей механізм був використаний для збільшення кількості розрядів, що беруть участь у вказівці адреси комірки пам'яті, з якою у даний момент здійснюється робота, з 16 до 20 і тим самим збільшення обсягу пам'яті.
Конкретизуємо задачу й обмежимося розглядом визначення адреси команди. Для адресації операндів використовується аналогічний механізм, тільки беруть участь у цьому випадку інші сегментні регістри. Нагадаємо, що для визначення фізичної адреси команди вміст сегментного регістра СS (code segment) перемножується на 16 за рахунок додавання зправа (до молодших бітів) чотирьох нулів, після чого до отриманого значення додається вміст покажчика команд (регістр ІР, instruction pointer). Виходить двадцатибітівое значення, що і дозволяє вказати будь-який байт із 220. Насправді, оскільки відбувається саме додавання і кожен з доданків може мати значення в інтервалі від нуля до 216-1 = 65535 – 64К, ми можемо вказати адресу початку сегмента, рівний FFFFFFFF00Н, і до нього додати зсув FFFFFFFFН. У цьому випадку ми одержимо переповнення розрядної сітки, але для сучасних 32-бітових процесорів (і для вже забутого i80286) мається можливість вказати перші 64Кбайт вище першого мегабайта.
