Плоская модель памяти
3.7. Плоская модель памяти.
Начиная с модели Intel-80386, в микропроцессорах Intel-Pentium адрес состоит из 16-разрядного номера сегмента и 32-разрядного смещения. 32-разрядное поле смещения позволяет адресовать до 4 Гбайт в пределах одного сегмента, что более чем достаточно для большинства мыслимых приложений и позволяет реализовать действительно "плоскую" (flat) модель виртуальной памяти процесса, представляющую собой линейное непрерывное пространство адресов..
Однако, при размере страницы 4 Кбайт таблица страниц должна содержать более 106 элементов и занимать 4 Мбайт памяти. Для экономии памяти аппаратура трансляции адреса микропроцессора поддерживает таблицы страниц двух уровней. Страничная таблица верхнего уровня называется каталогом страниц. Старшие 10 байт 32-разрядного смещения являются номером элемента в страничном каталоге. Элемент страничного каталога адресует таблицу страниц второго уровня. Следующие 10 байт смещения являются номером элемента в таблице страниц второго уровня. Элемент таблицы второго уровня адресует страничный кадр в реальной памяти, а младшие 12 байт смещения являются смещением в странице. Сегментная часть аппарата трансляции адреса оказывается излишней, в Intel-Pentium она не может быть отключена, но тот же эффект достигается, если каждому процессу назначается только один сегмент, и для процесса создается таблица сегментов, содержащая только один элемент. Поле base этого элемента адресует страничный каталог процесса, а каждый элемент страничного каталога - одну таблицу страниц. Структуры элементов каталога страниц и таблицы страниц второго уровня идентичны, каждая таблица страниц (каталог или таблица второго уровня) содержит 1024 элемента и сама занимает страничный кадр в памяти. Таблицы страниц участвуют в страничном обмене так же, как и страницы, содержащие любые другие данные и коды.
В 4-Гбайтном адресном пространстве появляется возможность разместить не только коды и данные процесса, но и объекты, используемые им совместно с другими процессами, в том числе и модули самой ОС. В этом случае обращение процесса к ОС происходит как обращение к процедуре, размещенной в адресном пространстве самого процесса. В современных ОС структура адресного пространства процесса обычно бывает следующей:
- самая младшая часть адресного пространства обычно для процесса недоступна, она используется ОС для поддержки реального режима; размер этой части адресного пространства обычно не менее 4 Мбайт, что соответствует одному элементу страничного каталога;
- далее размещается частное адресное пространство процесса, содержащее его коды, локальные данные, стек;
- выше размещаются "прикладные" общие области памяти, используемые несколькими процессами совместно;
- еще выше - системные модули, работающие в непривилегированном режиме, эти модули совместно используются всеми процессами;
- наконец, в самой верхней части размещаются системные модули, работающие в режиме ядра (уровень привилегий - 0), эти модули также совместно используются.
Совместное использование памяти обеспечивается либо тем, что элементы каталогов разных процессов адресуют одну и ту же таблицу страниц второго уровня, либо тем, что таблицы страниц второго уровня разных процессов адресуют один и тот же страничный кадр. В первом случае виртуальные адреса совместно используемых объектов являются одинаковыми для всех процессов, во втором - разными. Все системы используют первый способ для системных модулей, но разные способы для "прикладных" общих областей памяти.
Большинство разработчиков приложений горячо приветствовали введение плоской модели памяти в современных ОС (OS/2 Warp, Windows 95, Windows NT), так как представление виртуального адреса в виде одного 32-разрядного слова избавляет программиста от необходимости различать ближние и дальние указатели и упрощает программирование. Но справедливы и предупреждения [17] о том, что отказ от сегментного структурирования виртуального адресного пространства кое в чем ограничивает возможности программиста. Большая же эффективность плоской модели памяти является объективным фактором, так как, во-первых, оперирование с 32-разрядными адресными словами уменьшает число команд в программе, а во-вторых, поскольку в 4-Гбайтном виртуальном адресном пространстве процесса могут быть размещены и процедуры, реализующие системные вызовы, то обращения процесса к ОС происходят как к собственным локальным процедурам и не требуют переключений контекста.
Несколько усложняется защита памяти при фактическом отказе от сегментирования. В Intel-Pentium в аппаратном дескрипторе сегмента предусмотрено пять двоичных разрядов, которые могут быть использованы для целей защиты , а в дескрипторе страницы - только два таких разряда. Однако объединение средств защиты на уровне каталога страниц и таблиц второго уровня образует достаточно богатые возможности. Надежность защиты памяти в современных ОС определяется только тем, насколько активно и аккуратно эти возможности используются.
