Концепция и принципы организации виртуальной памяти. Задачи управления виртуальной памятью. Страничный обмен.

Для достижения гибкого динамического распределения памяти, устранения ее фрагментации, а также создания значительных удобств для программирования в современных ОС широко используется виртуальная память. При этом на всех этапах подготовки программ, включая загрузку в оперативную память, программа представляется в виртуальных адресах и лишь при самом исполнении машиной команды производится преобразование виртуальных адресов в адреса действующей памяти (в так называемые физические адреса). Это преобразование составляет содержание динамического распределения памяти. Объем виртуального адресного пространства может даже превосходить всю доступную реальную память на ЭВМ. Содержимое виртуальной памяти, неиспользуемой программой, хранится на некотором внешнем устройстве (внешней памяти). По необходимости части этой виртуальной памяти отображаются в реальную память. Ни о внешней памяти, ни о ее отображении в реальную память программа ничего не знает. Она написана так, как будто бы виртуальная память существует в действительности (рис.).

Рисунок 1 Основная концепция виртуальной памяти

Задачи, возникающие при работе с ВП:

1. Размещение – в АП_ОП выбирается подходящая страница или сегмент, на который будет отображена страница или сегмент ВАП

2. Перемещение – в архивной среде выбирается информация, принадлежащая отображаемой странице по его виртуальному адресу, и переносится в страницу ОП

3. Задача преобразования – вычисляется абсолютный адрес слова в рабочей среде по его виртуальному адресу

4. Задача замещения – выбор среди страниц АП_ОП кандидата на перераспределение

Сегментная и страничная виртуальная память

В системах с сегментной и страничной адресацией виртуальный адрес имеет сложную структуру. Он разбит на два битовых поля: номер страницы (сегмента) и смещение в нем. Соответственно, адресное пространство оказывается состоящим из дискретных блоков. Если все эти блоки имеют фиксированную длину и образуют вместе непрерывное пространство, они называются страницами. Если длина каждого блока может задаваться произвольно, а неиспользуемым частям блоков соответствуют «дыры» в виртуальном адресном пространстве, они называются сегментами. Как правило, один сегмент соответствует коду или данным одного модуля программы. Со страницей или сегментом могут быть ассоциированы права чтения, записи и исполнения. Диспетчер памяти содержит регистр – указатель на таблицу трансляции. Эта таблица размещается где-то в физической памяти. Ее элементами являются дескрипторы каждой страницы/сегмента. Такой дескриптор содержит права доступа к странице, признак присутствия этой страницы в памяти и физический адрес страницы/сегмента. Для сегментов в дескрипторе также хранится длина сегмента. Как правило, диспетчер памяти имеет также кэш (cache) дескрипторов – быструю память с ассоциативным доступом. В этой памяти хранятся дескрипторы часто используемых страниц.

Отдельной проблемой при разработке системы со страничной или сегментной адресацией является выбор размера страницы или максимального размера сегмента. Этот размер определяется шириной соответствующего битового поля адреса и поэтому должен быть степенью двойки. С одной стороны, страницы не должны быть слишком большими, так как это может привести к неэффективному использованию памяти и перекачке слишком больших объемов данных при сбросе страниц на диск. С другой стороны, страницы не должны быть слишком маленькими, так как это приведет к чрезмерному увеличению таблиц трансляции, требуемого объема кэша дескрипторов и т.д. Что будет считаться «слишком» большим или, наоборот, маленьким, в действительности зависит от среднего количества памяти, используемого программой. В реальных системах размер страницы меняется от 512 байт до нескольких килобайт.

С сегментными диспетчерами памяти ситуация сложнее. С одной стороны, хочется, чтобы один программный модуль влезал в сегмент, поэтому сегменты обычно делают большими, от 32К и более. С другой стороны, хочется, чтобы в адресном пространстве можно было сделать много сегментов. Кроме того, может возникнуть проблема: как быть с большими неразделимыми объектами, например хэш-таблицами компиляторов, под которые часто выделяются сотни килобайт. С третьей стороны, при подкачке сегментов с диска не хочется качать за один раз много данных. Третье обстоятельство вынуждает многих разработчиков идти на двухступенчатую виртуальную память – сегментную адресацию, в которой каждый сегмент, в свою очередь, разбит на страницы. Это дает ряд мелких преимуществ, например, позволяет раздавать права доступа сегментам, а подкачку с диска осуществлять постранично.

[Селектор – номер дескриптора сегмента в таблице дескрипторов. Дескриптор сегмента - базовый адрес сегмента определяется с помощью таблицы дескрипторов сегмента. Хранит в себе базовый адрес, размер, права доступа на сегмент и т.д.]