Виртуальная память

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Виртуальный адрес

Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так как во время трансляции в общем случае не известно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что программа будет размещена, начиная с нулевого адреса.

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством.

Каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в компьютере.

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.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные - на диск.
Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру - таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск.
Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Механизм преобразования виртуального адреса в физический

Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары (p, s), где p - номер виртуальной страницы процесса (нумерация страниц начинается с 0), а s - смещение в пределах виртуальной страницы.
Учитывая, что размер страницы равен 2 в степени к, смещение s может быть получено простым отделением k младших разрядов в двоичной записи виртуального адреса. Оставшиеся старшие разряды представляют собой двоичную запись номера страницы p.

При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия:
1. на основании начального адреса таблицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса) и длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице,
2. из этой записи извлекается номер физической страницы,
3. к номеру физической страницы присоединяется смещение (младшие разряды виртуального адреса).

Использование в пункте (3) того факта, что размер страницы равен степени 2, позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо более длительной операции сложения, что уменьшает время получения физического адреса, а значит повышает производительность компьютера.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Сегментное распределение

Странично-сегментное
распределение

Виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется операционной системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть на диске. Для каждого сегмента создается своя таблица страниц, структура которой полностью совпадает со структурой таблицы страниц, используемой при страничном распределении. Для каждого процесса создается таблица сегментов, в которой указываются адреса таблиц страниц для всех сегментов данного процесса. Адрес таблицы сегментов загружается в специальный регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс.

Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда сегментация программы выполняется по умолчанию компилятором.

При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Свопинг и виртуальная память

Так как памяти, как правило, не хватает. Для выполнения процессов часто приходится использовать диск.

Основные способы использования диска:
Свопинг (подкачка) - процесс целиком загружается в память для работы
Виртуальная память - процесс может быть частично загружен в память для работы

т.к. процесс С очень большой, процесс А был выгружен временно на диск, после завершения процесса С он снова был загружен в память.

Как мы видим процесс А второй раз загрузился в другое адресное пространство, должны создаваться такие условия, которые не повлияют на работу процесса.
Свопер - планировщик, управляющий перемещением данных между памятью и диском.

Виртуальная память
Основная идея заключается в разбиении программы на части, и в память эти части загружаются по очереди.
Программа при этом общается с виртуальной памятью, а не с физической.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Страницы – основа виртуальной памяти

Страницы - это части, на которые разбивается пространство виртуальных адресов.
Страничные блоки - единицы физической памяти.
Страницы всегда имеют фиксированный размер. Передача данных между ОЗУ и диском всегда происходит в страницах.

Х - обозначает не отображаемую страницу в физической памяти.

Страничное прерывание - происходит, если процесс обратился к странице, которая не загружена в ОЗУ (т.е. Х). Процессор передается другому процессу, и параллельно страница загружается в память.

Таблица страниц - используется для хранения соответствия адресов виртуальной страницы и страничного блока.

Таблица может быть размещена:
в аппаратных регистрах (преимущество: более высокое быстродействие)
в ОЗУ

Типичная запись в таблице страниц

Присутствие/отсутствие - загружена или незагружена в память
Защита - виды доступа, например, чтение/запись.
Изменение - изменилась ли страница, если да то при выгрузке записывается на диск, если нет, просто уничтожается.

Обращение - было ли обращение к странице,
если нет, то это лучший кандидат на освобождение памяти.
Информация о адресе страницы когда она хранится на диске, в таблице не размещается.

Для ускорения доступа к страницам в диспетчере памяти создают буфер быстрого преобразования адреса, в котором хранится информация о наиболее часто используемых страниц.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Хранение страничной памяти на диске: Статическая и динамическая области свопинга

После запуска процесса он занимает определенную память, на диске сразу ему выделяется такое же пространство. Поэтому файл подкачки должен быть не меньше памяти. А в случае нехватки памяти даже больше. Как только процесс завершится, он освободит память и место на диске.
На диске всегда есть дубликат страницы, которая находится в памяти.

Статическая область свопинга

Динамическая область свопинга

Предполагается не выделять страницам место на диске, а выделять только при выгрузке страницы, и как только страница вернется в память освобождать место на диске.
Этот механизм сложнее, так как процессы не привязаны к какому-то пространству на диске, и нужно хранить информацию (карту диска) о местоположении на диске каждой страницы.

Статический и динамический методы организации свопинга.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память: История

Впервые слово «кэш» в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки статьи для публикации в журнале «IBM Systems Journal». Статья касалась усовершенствования памяти в разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил придумать более описательный термин, нежели «высокоскоростной буфер», но из-за отсутствия идей сам предложил слово «кэш». Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы IBM, их работа получила распространение и впоследствии была улучшена, а слово «кэш» вскоре стало использоваться в компьютерной литературе как общепринятый термин.

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Кэш-память:

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

http://www.ixbt.com/cpu/intel-ci7-theory.shtml
http://citforum.ru/programming/digest/gaisarian/
http://docstore.mik.ua/svk/glava_9.htm
http://www.ixbt.com/news/all/index.shtml?06/21/44
http://alasir.com/articles/cache_principles/cache_associativity_rus.html
http://education.aspu.ru/view.php?olif=gl5
http://www.x-drivers.ru/articles/technologies/20/full.html
http://www.intuit.ru/department/hardware/microarch/4/3.html
http://www.intuit.ru/department/hardware/microarch/4/2.html
http://www.yudenisov.narod.ru/EIS/Vol07/b4.htm
http://iproc.ru/parallel-programming/lection-7/
http://www.3dnews.ru/cpu/pentium4-vs-g4e/index5.htm
http://www.intuit.ru/department/hardware/mcoreproc/5/
http://www.kit-e.ru/articles/dsp/2008_3_32.php
http://www.intuit.ru/department/os/modernos/6/4.html

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Faculty, Electronic Devices & Systems, 7th semester,2010 Dr. Mokhovikov

Используемые Интернет-ресурсы:

http://citforum.ru/operating_systems/sos/glava_7.shtml
http://x86.migera.ru/text/glava_2.html
http://www.intuit.ru/department/os/osintro/10/
http://www.moodle.ipm.kstu.ru/mod/resource/view.php?id=57