Концепция виртуальной памяти
В ВС с виртуальной памятью адресное пространство (АП) процесса (образ процесса) во время выполнения хранится во внешней памяти ЭВМ и загружается в реальную память по частям динамически, по необходимости, в любое свободное место РОП. Однако программа ничего не знает об этом, написана и выполняется так, как будто полностью находится в РОП.
Виртуальная память - это моделирование оперативной памяти во внешней памяти.
Механизм отображения виртуальных и реальных адресов устанавливает между ними соответствие и называется динамическим преобразованием адресов (ДПА) (рис.6.1)
Компьютер здесь уже выступает как логическое устройство, а не физическая машина с уникальными характеристиками. ДПА поддерживается на аппаратно-микропрограммном уровне. В МП Intel, начиная с 386 процессора, выполняется поддержка виртуальной памяти. Такая процедура выполняется для EC ЭВМ - ряд 2 и выше, для СМ ЭВМ- 1700, для IBM PC – PC/386 и выше.
Рис.6.1. Динамическое преобразование адресов
При управлении виртуальной памятью смежные виртуальные адреса не обязательно будут смежными реальными адресами (искусственная смежность). Программист освобождается от необходимости учитывать размещение своих процедур и данных в РОП. Он получает возможность писать программы наиболее естественным образом, прорабатывая лишь детали алгоритма и структуру программы, игнорируя конкретные особенности структуры аппаратных средств.
Механизм ДПА предполагает ведение таблиц, показывающих, какие ячейки ВП в текущий момент времени находятся в РОП и где именно. Поскольку индивидуальное отображение элементов информации (пословное или побайтовое) не имеет смысла (так как под таблицы отображения адресов потребовалось бы РОП больше, чем под процессы), то отображение адресов выполняется на уровне блоков ОП.
Проблема: какую часть процессов держать в ОП в некоторые моменты времени, выталкивая одни участки РОП и размещая другие.
Еще один вопрос, который необходимо решать: Каким сделать размер блока?
Увеличение размера блока приводит к уменьшению размера таблицы отображения блоков, но увеличивает время обмена и, наоборот, уменьшение размера блока приводит к увеличению таблиц и уменьшению времени обмена с внешней памятью.
Блоки могут быть фиксированного размера (страницы) и переменного размера (сегменты). В этой связи существует четыре способа организации виртуальной памяти:
1.Динамическая страничная организация.
2.Сегментная организация.
3.Комбинированная сегментно-страничная организация.
4.Двухуровневая страничная организация.
Виртуальные адреса в страничных и сегментных системах являются двухкомпонентными и представляют собой упорядоченную пару (p,d), где p - номер блока (страницы либо сегмента), в которой размещается элемент, а d - смещение относительно начального адреса этого блока. Преобразование виртуального адреса V=(p,d) в адрес реальной памяти r
осуществляется следующим образом (рис.6.2).
Рис. 6..2.. Преобразование виртуального адреса в реальной адрес памяти
При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы отображения блоков данного процесса. В соответствии с номером блока p из таблицы отображения блоков, считывается строка, 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. К считанному физическому адресу размещения выбранного блока добавляется размер смещения d и вычисляется требуемый реальный адрес.
Рассмотрим, в чем состоит стратегия управления виртуальной памятью. Аналогично управлению РОП, для управления ВП имеется три категории стратегий при имеющейся цели снизить ожидание страниц и располагать в РОП только используемые блоки.
Стратегия вталкивания, определяющая, когда следует переписать страницу или сегмент из внешней памяти в ОП.
а) вталкивание по запросу - система ожидает ссылки на страницу/сегмент от выполняющегося процесса (прерывание по отсутствию страницы);
аргументы за:
- путь выполнения программы наверняка предсказать невозможно;
- гарантия расположения в ОП только нужных страниц;
- накладные расходы на определение требуемых страниц минимальны;
аргументы против:
- подкачка по одному блоку приводит к увеличению общего времени ожидания;
б) упреждающее вталкивание предполагает, что система может предвидеть необходимость использования в дальнейшем страницы/сегмента. Если вероятность обращений высока и есть свободная ОП, то соответствующие блоки переписываются в ОП.
Достоинство: сокращается время ожидания.
В настоящее время быстродействие аппаратуры увеличивается, и неоптимальные решения не приводят к уменьшению эффективности вычислительных систем.
Стратегия размещения, определяющая, куда поместить поступающую страницу/сегмент. В страничных системах - тривиально: в любой свободный блок (страница имеет фиксированный размер). В сегментных системах те же самые стратегии, что и для реальной ОП (в первую подходящую область, в наиболее подходящую, в наименее подходящую).
Стратегия выталкивания (замещения), определяющая, какую страницу/сегмент удалить из ОП для освобождения места поступающей страницы.
Здесь основная проблема "пробуксовки", при которой вытолкнутая страница в следующий момент должна вновь размещаться в РОП.
Рассмотрим процедуры определения блоков для выталкивания из ОП.
а)
выталкивание случайной страницы - в реальных системах не применяется;
б) выталкивание первой пришедшей страницы (FIFO – First In First Out). Для ее реализации необходимо устанавливать временные метки страниц.
Аргумент: у страницы уже были возможности использовать свой шанс.
Фактически: большая вероятность заместить активно используемые страницы, поскольку присутствие страниц длительное время в ОП может означать, что к ним постоянно происходит обращение.
Например, используемый редактор текстов.
в) выталкивание дольше всего неиспользованных страниц (NUR – Not Used Resently).
Для реализации необходимо реализовать обновляемые временные метки. Эвристический аргумент: - недавнее прошлое - хороший ориентир на будущее.
Недостаток - существенные издержки: постоянное обновление временных меток.
г)
выталкивание реже всего используемых страниц
(RFU Rare Frequently Used) - предполагает наличие счетчиков страниц (менее интенсивно, нежели обновляемые временные метки). Интуитивно оправдано, но тоже может быть не рационально.
д) выталкивание не использующихся в последнее время страниц (LRU- Least Resently Used) - самый распространенный алгоритм с малыми издержками. Реализуется двумя аппаратными битами на страницу:
1.Признак обращения 0 - было
1 - не было.
2.Признак модификации записи 0 - неизменен.
1 - изменен.
Возможны следующие варианты комбинаций: {00,10,01,11}. Если изменений на странице не было, то страницу можно просто переписать, а не сохранять на диске.
