69309

Сегментація пам’яті. Сторінкова організація пам’яті

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

У кожного сегмента є ім’я і довжина (для зручності реалізації поряд з іменами використовують номери). Логічна адреса складається з номера сегмента і зсуву всередині сегмента; з такими адресами працює прикладна програма. Компілятори часто створюють окремі сегменти для різних даних програми

Украинкский

2014-10-03

101 KB

5 чел.

Лекція № 13

Тема:  Сегментація пам'яті. Сторінкова організація пам’яті.

План

  1.  Особливості сегментації пам’яті.
  2.  Базові принципи сторінкової організації
  3.  Порівняльний аналіз сторінкової організації
  4.  Багаторівневі таблиці сторінок
  5.  Реалізація таблиць сторінок в архітектурі ІА-32

Особливості сегментації пам'яті

Сегментація пам'яті дає змогу зображати логічний адресний простір як сукупність незалежних блоків змінної довжини, які називають сегментами. Кожний сегмент звичайно містить дані одного призначення, наприклад в одному може бути стек, в іншому — програмний код і т. д.

У кожного сегмента є ім'я і довжина (для зручності реалізації поряд з іменами використовують номери). Логічна адреса складається з номера сегмента і зсуву всередині сегмента; з такими адресами працює прикладна програма. Компілятори часто створюють окремі сегменти для різних даних програми (сегмент коду, сегмент даних, сегмент стека). Під час завантаження програми у пам'ять створюють таблицю дескрипторів сегментів процесу, кожний елемент якої відповідає одному сегменту і складається із базової адреси, значення межі та прав доступу.

Під час формування адреси її сегментна частина вказує на відповідний елемент таблиці дескрипторів сегментів процесу. Якщо зсув більший, ніж задане значення межі (або якщо права доступу процесу не відповідають правам, заданим для сегмента), то апаратне забезпечення генерує помилку. Коли ж усе гаразд, сума бази і зсуву в разі чистої сегментації дасть у результаті фізичну адресу в основній пам'яті. Якщо сегмент вивантажений на диск, спроба доступу до нього спричиняє його завантаження з диска в основну пам'ять. У підсумку кожному сегменту відповідає неперервний блок пам'яті такої самої довжини, що перебуває в довільному місці фізичної пам'яті або на диску. Загальний підхід до перетворення адреси у разі сегментації показаний на рис. 8.5.

Наведемо переваги сегментації пам'яті.

♦ З'явилася можливість організувати кілька незалежних сегментів пам'яті для процесу і використати їх для зберігання даних різної природи. При цьому права доступу до кожного такого сегмента можуть бути задані по-різному.

♦ Окремі сегменти можуть спільно використовуватися різними процесами, для цього їхні таблиці дескрипторів сегментів повинні містити однакові елементи, що описують такий сегмент.

♦ Фізична пам'ять, що відповідає адресному простору процесу, тепер не обов'язково має бути неперервною. Справді, сегментація дає змогу окремим частинам адресного простору процесу відображатися не в основну пам'ять, а на диск, і довантажуватися з нього за потребою, забезпечуючи виконання процесів будь-якого розміру. Цей підхід не позбавлений і недоліків.

♦ Необхідність введення додаткового рівня перетворення пам'яті спричиняє зниження продуктивності (цей недолік властивий будь-якій повноцінній реалізації віртуальної пам'яті). Для ефективної реалізації сегментації потрібна відповідна апаратна підтримка.

♦ Керування блоками пам'яті змінної довжини з урахуванням необхідності їхнього збереження на диску може бути досить складним.

♦ Вимога, щоб кожному сегменту відповідав неперервний блок фізичної пам'яті відповідного розміру, спричиняє зовнішню фрагментацію пам'яті. Внутрішньої фрагментації у цьому разі не виникає, оскільки сегменти мають змінну довжину і завжди можна виділити сегмент довжини, необхідної для виконання програми.

Сьогодні сегментацію застосовують доволі обмежено передусім через фрагментацію і складність реалізації ефективного звільнення пам'яті та обміну із диском. Ширше використання отримав розподіл пам'яті на блоки фіксованої довжини — сторінкова організація пам'яті, яку розглянемо в розділі 8.3.

Сторінкова організація пам'яті

До основних технологій реалізації віртуальної пам'яті крім сегментації належить сторінкова організація пам'яті (paging). її головна ідея - розподіл пам'яті блоками фіксованої довжини. Такі блоки називають сторінками.

Ця технологія є найпоширенішим підходом до реалізації віртуальної пам'яті в сучасних операційних системах.

Базові принципи сторінкової організації пам'яті

У разі сторінкової організації пам'яті логічну адресу називають також лінійною, або віртуальною, адресою. Такі адреси належать одній множині (наприклад, лінійною адресою може бути невід'ємне ціле число довжиною 32 біти).

Фізичну пам'ять розбивають на блоки фіксованої довжини — фрейми, або сторінкові блоки (frames). Логічну пам'ять, у свою чергу, розбивають на блоки такої самої довжини - сторінки (pages). Коли процес починає виконуватися, його сторінки завантажуються в доступні фрейми фізичної пам'яті з диска або іншого носія.

Сторінкова організація пам'яті повинна мати апаратну підтримку. Кожна адреса, яку генерує процесор, ділиться на дві частини: номер сторінки і зсув сторінки. Номер сторінки використовують як індекс у таблиці сторінок.

Таблиця сторінок — це структура даних, що містить набір елементів (page-table entries, PTE), кожен із яких містить інформацію про номер сторінки, номер відповідного їй фрейму фізичної пам'яті (або беспосередньо його базову адресу) та права доступу. Номер сторінки використовують для пошуку елемента в таблиці. Після його знаходження до базової адреси відповідного фрейму додають зсув сторінки, чим і визначають фізичну адресу (рис. 8.7).

Розмір сторінки є ступенем числа 2, у сучасних ОС використовують сторінки розміром від 2 до 8 Кбайт. У спеціальних режимах адресації можна працювати зі сторінками більшого розміру.

Для кожного процесу створюють його власну таблицю сторінок. Коли процес починає своє виконання, ОС розраховує його розмір у сторінках і кількість фреймів у фізичній пам'яті. Кожну сторінку завантажують у відповідний фрейм, після чого його номер записують у таблицю сторінок процесу.

Відображення логічної пам'яті для процесу відрізняється від реального стану фізичної пам'яті. На логічному рівні для процесу вся пам'ять зображується неперервним блоком і належить тільки цьому процесові, а фізично вона розосереджена по адресному простору мікросхеми пам'яті, чергуючись із пам'яттю інших процесів (рис. 8.8). Процес не може звернутися до пам'яті, адреса якої не вказана в його таблиці сторінок (так реалізований захист пам'яті).

ОС повинна мати інформацію про поточний стан фізичної пам'яті (про зайнятість і незайнятість фреймів, їхню кількість тощо). Цю інформацію звичайно зберігають у таблиці фреймів. Кожний її елемент відповідає фрейму і містить всі відомості про нього.

Порівняльний аналіз сторінкової організації пам'яті та сегментації

Сторінкова організація пам'яті та сегментація мають більше спільних рис, аніж відмінностей. Основна відмінність між цими двома підходами полягає в тому, що всі сторінки мають фіксовану довжину, а сегменти - змінну. Інші базові моменти (відсутність вимоги неперервності фізичної пам'яті, можливість вивантаження блоків пам'яті на диск, необхідність підтримувати таблиці перетворення тощо) принципово не відрізняються.

Розглянемо основні переваги сторінкової організації пам'яті порівняно із сегментацією. Вони визначаються насамперед тим, що всі сторінки мають одну й ту саму довжину.

♦ Реалізація розподілу і звільнення пам'яті спрощується. Усі сторінки з погляду процесу рівноправні, тому можна підтримувати список вільних сторінок і в разі необхідності виділяти першу сторінку із цього списку, а після звільнення повертати сторінку в список. Із сегментами так чинити не можна, оскільки кожен сегмент можна використати лише за його призначенням (спроба використати сегмент для іншої мети призведе швидше за все до того, що виникне потреба у сегменті іншої довжини).

Реалізація обміну даними з диском також спрощується. Для організації такого обміну ділянка на диску, яку використовують для зберігання інформації про сторінки, вивантажені з пам'яті (простір підтримки, backing store) може бути теж розбита на блоки фіксованого розміру, рівного розмірові фрейму.

Сторінкова організація пам'яті не позбавлена й недоліків.

Насамперед цей підхід спричиняє внутрішню фрагментацію, пов'язану з тим, що розмір сторінки завжди фіксований, і в разі необхідності виділення блоку пам'яті конкретної довжини його розмір буде кратним розміру сторінки. У середньому розмір невикористовуваної пам'яті становить приблизно половину сторінки для кожного виділеного блоку пам'яті (аналогічного до сегмента). Така фрагментація може бути знижена зменшенням кількості та збільшенням розміру блоків, що виділяються.

Таблиці сторінок мають бути більші за розміром, ніж таблиці сегментів. Так, для виділення неперервного діапазону пам'яті розміром 100 Кбайт знадобиться один елемент таблиці сегментів, що описує сегмент, виділений для цього діапазону. З іншого боку, у разі використання сторінок розміром 4 Кбайт для опису такого діапазону нам знадобиться 25 елементів таблиці сторінок — по одному елементу для кожної сторінки.

Багаторівневі таблиці сторінок

Щоб адресувати логічний адресний простір значного обсягу за допомогою однієї таблиці сторінок, її доводиться робити дуже великою. Наприклад, в архітектурі ІА-32 за стандартного розміру сторінки 4 Кбайт (для адресації всередині такої сторінки потрібні 12 біт) на індекс у таблиці залишається 20 біт, що відповідає таблиці сторінок на 1 мільйон елементів.

Щоб уникнути таких великих таблиць, запропоновано технологію багаторівневих таблиць сторінок. Таблиці сторінок самі розбиваються на сторінки, інформацію про які зберігають в таблиці сторінок верхнього рівня. Кількість рівнів рідко перевищує 2, але може доходити й до 4.

Коли є два рівні таблиць, логічну адресу розбивають на індекс у таблиці верхнього рівня, індекс у таблиці нижнього рівня і зсув.

Ця технологія має дві основні переваги. По-перше, таблиці сторінок стають менші за розміром, тому пошук у них можна робити швидше. По-друге, не всі таблиці сторінок мають перебувати в пам'яті у конкретний момент часу. Наприклад, якщо процес не використовує якийсь блок пам'яті, то вміст усіх сторінок нижнього рівня невикористовуваного блоку може бути тимчасово збережений на диску.

Реалізація таблиць сторінок в архітектурі ІА-32

Архітектура ІА-32 використовує дворівневу сторінкову організацію, починаючи з моделі Intel 80386.

Таблицю верхнього рівня називають каталогом сторінок (page directory), для кожної задачі повинен бути заданий окремий каталог сторінок, фізичну адресу якого зберігають у спеціальному керуючому регістрі сгЗ і куди він автоматично завантажується апаратним забезпеченням при перемиканні контексту. Таблицю нижнього рівня називають просто таблицею сторінок (page table).

Лінійна адреса поділяється на три поля:

каталогу (Directory) — визначає елемент каталогу сторінок, що вказує на потрібну таблицю сторінок;

таблиці (Table) — визначає елемент таблиці сторінок, що вказує на потрібний фрейм пам'яті;

зсуву (Offset) — визначає зсув у межах фрейму, що у поєднанні з адресою фрейму формує фізичну адресу.

Розмір полів каталогу і таблиці становить 10 біт, що дає таблиці сторінок, які містять 1024 елементи, розмір поля зсуву - 12 біт, що дає сторінки і фрейми розміром 4 Кбайт. Одна таблиця сторінок нижнього рівня адресує 4 Мбайт пам'яті (1 Мбайт фреймів), а весь каталог сторінок — 4 Гбайт.

Елементи таблиць сторінок всіх рівнів мають однакову структуру. Виокремимо такі поля елемента:

прапорець присутності (Present), дорівнює одиниці, якщо сторінка перебуває у фізичній пам'яті (їй відповідає фрейм); рівність цього прапорця нулю означає, що сторінки у фізичній пам'яті немає, при цьому операційна система може використати інші поля елемента для своїх цілей;

 20 найбільш значущих бітів, які задають початкову адресу фрейму, кратну 4 Кбайт (може бути задано 1 Мбайт різних початкових адрес);

♦ прапорець доступу (Accessed), який покладають рівним одиниці під час кожного звертання пристрою сторінкової підтримки до відповідного фрейму;

♦ прапорець зміни (Dirty), який покладають рівним одиниці під час кожної операції записування у відповідний фрейм;

♦ прапорець читання-записування (Read/Write), що задає права доступу до цієї сторінки або таблиці сторінок (для читання і для записування або тільки для читання);

♦ прапорець привілейованого режиму (User/Supervisor), який визначає режим процесора, необхідний для доступу до сторінки. Якщо цей прапорець дорівнює нулю, сторінка може бути адресована тільки із привілейованого режиму, якщо одиниці — доступна також і з режиму користувача;

Прапорці присутності, доступу і зміни можна використовувати ОС для організації віртуальної пам'яті. Про використання прапорців присутності та зміни говоритимемо у розділі 9.3.1, а про використання прапорця доступу — у розділі 9.5.5.

Питання для самоконтролю:

  1.  Поняття сегментації пам’яті.
  2.  Переваги сегментації пам’яті.
  3.  Лінійна адреса пам’яті.
  4.  Фрейми. Сторінки. Номер та зсув сторінки.
  5.  Таблиця сторінок. Таблиця фреймів.
  6.  Переваги сторінкової організації пам'яті порівняно із сегментацією.
  7.  Недоліки сторінкової організації пам’яті.
  8.  Багаторівневі таблиці сторінок. Переваги.
  9.  Каталог сторінок.
  10.  Структура елементів таблиць сторінок.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9649. Организация риск-менеджмента 24.5 KB
  Организация риск-менеджмента После разработки технологии риск-менеджмента важна его организация. Организация предусматривает комплекс мероприятий, направленных на создание и развертывание системы управления и обеспечение ее эффективного функционир...
9650. Основы теории риск-менеджмента 672 KB
  Основы теории риск-менеджмента Теория риск-менеджмента предполагает целостную систему знаний, характеризующую логическую зависимость и взаимосвязи между доходом и финансовой устойчивостью с учетом допустимых пределов последствий риска, которые в сов...
9651. Факторы, определяющие степень риска 30.5 KB
  Факторы, определяющие степень риска В первую группу - объективные факторы - включены такие важные обстоятельства, как качество активных ресурсов и качество ситуации. При этом к категории качество активных ресурсов мы относим все то, что...
9652. Основы неоклассической теории 32 KB
  Основы неоклассической теории Обратимся еще раз к той интерпретации слова риск, которую мы назвали широкой, системной (в предпринимательском смысле). Главная мысль, которая относится к толкованию слова риск и прослеживается в сообщениях на этом с...
9653. Основные виды предпринимательской деятельности и их характеристика 1.6 MB
  Основные виды предпринимательской деятельности и их характеристика Для разных отраслей предпринимательства риск, в общем случае, разный. Причины тут очевидны: разными оказываются факторы риска (объективные и субъективные), величины убытков, размеры...
9654. Факторы, формирующие профиль рисков организации 415.5 KB
  Факторы, формирующие профиль рисков организации Акционеры и инвесторы. Увеличение инвестиционных долей как собственного акционерного капитала фирмы, так и частных лиц на фоне возрастающей глобальной изменчивости экономики и финансов требует все боль...
9655. Общая характеристика экономической деятельности организации 42 KB
  Общая характеристика экономической деятельности организации Бизнес есть бизнес, в какой бы области он ни развивался, и, по определению, делать бизнес означает не что иное, как выполнять услуги, имеющие определенную коммерческую ценность...
9656. Риски производственной деятельности организации 201 KB
  Риски производственной деятельности организации Что может вызвать производственный риск. Из анализа сущности производственной деятельности можно заключить, что такой риск вызывается рядом причин, приводящих либо к снижению объемов производства, либо...
9657. Финансовые риски организации и их влияние на предпринимательство 181.5 KB
  Финансовые риски организации и их влияние на предпринимательство Основанием для оценки финансового риска по-прежнему является системный анализ сути (содержания, взаимосвязей) финансово-кредитной деятельности. Напомним, что по своему содержанию подо...