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

4 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

82506. Особенности и тенденции развития современного американского права 27.6 KB
  Федеративное устройство США ставит на повестку дня вопрос о единстве правовой системы страны. Наличие Конституции США ограничивает свободу действий как законодательных так и судебных органов в части внесения изменений в организацию правосудия. Втретьих реализация принципа разделения властей дополняет с введением судебного контроля за конституционностью законов При этом Верховный суд США напоминает скорее законодательный чем правоприменительный орган особенно когда создаваемая им норма распространяется не на рассматриваемое дело а на дела...
82507. Характеристика судебной системы США 26.5 KB
  Кроме того в систему федеральных судов входят так называемые специализированные суды имеющие отдельную компетенцию с правом вынесения приговоров и решений налоговый суд суд по делам военнослужащих суд по таможенным и патентным делам претензионный суд. Районные суды рассматривают уголовные и гражданские дела в качестве суда первой инстанции. Апелляционные окружные суды осуществляют проверку решений районных судов а также рассматривают жалобы на решения ряда административных квазисудебных органов например Национального управления...
82508. Общая характеристика мусульманской правовой семьи 28.91 KB
  История развития мусульманской правовой системы неразрывно связана с формированием мусульманской религиозной культуры. Но в Коране было упомянуто о том что мнение единое во всей мусульманской общине не может быть неверным. Иджма мнение по правовым вопросам авторитетных ученыхтеологов которое представлено как мнение всей мусульманской общины.
82509. Общая характеристика правовых систем стран Дальнего Восток 26.29 KB
  К отличительным критериям на основе которых можно определить к какой правовой семье следует отнести ту или иную правовую систему принадлежит также восприятие права как исключительно важного социального инструмента регулирования общественных отношений. Поэтому описание китайского и японского права позволит выявить некоторые важные и характерные элементы общей дальневосточной концепции права. Все западные правовые системы независимо от того относятся ли они к семье романогерманского или общего права едины в том что важнейшие вопросы...
82510. Общая характеристика российской правовой системы 27.03 KB
  То что правоприменители и граждане столь часто подчиняются правовым обыкновениям даже в ущерб соблюдению норм права связано с историческими особенностями с противодействием монгольскому владычеству и с традиционной либеральностью центральной власти по отношению к местной. Система права стала более упорядоченной. Правда остаются весьма болезненными проблемы соответствия законодательства субъектов федеральному законодательству и отсутствия нормативных актов в ряде важнейших отраслей права экологическом незавершенность налоговой кодификации...
82511. Значение сравнительного правоведения как науки и учебной дисциплины 26.7 KB
  Сравнительноправовые исследования в сочетании с традиционными историческим нормативным и социологическим видением права позволяют: вопервых изучить явления правовой действительности которые ранее не охватывались проблематикой правоведения и выйти за национальные рамки своей правовой системы; вовторых взглянуть под особым углом зрения на ряд традиционных проблем юридической науки с учетом тенденций развития права в современном мире. Для юридической науки обращенной прежде всего к национальному праву использование сравнительного...
82512. История сравнительного правоведения 27.8 KB
  Сторонники первого похода рассматривающие его лишь как один из научных методов юриспруденции настаивают на древнем происхождении сравнительного правоведения При этом они указывают что еще античные а позже и средневековые философы и законодатели использовали сравнение как метод исследования в целях решения конкретных проблем. При этом иногда указываются такие конкретные даты как 1869 год год основания французского Общества сравнительного законодательства и реже 1900 год. когда был проведен I Международный конгрес сравнительного права.
82513. Научная, образовательная, практическая функции сравнительного правоведения 24.14 KB
  Сравнительное правоведение как и любая другая наука воздействует на общество. Научная функция Сравнительное правоведение является одним из важнейших поставщиков информации об иностранных правовых системах для всей юридической науки. Кроме этого сравнительное правоведение обладает и самостоятельной научной ценностью особенно в части разработки теории правовой системы. Сравнительное правоведение один из немногих курсов позволяющих более или менее подробно ознакомиться иными правовыми системами что существенно расширяет профессиональный...
82514. Правовая семья (правовая система) – основное понятие сравнительного правоведения 27.46 KB
  Правовая система как совокупность социальных институтов их функциональных связей и качественных характеристик посредством которых осуществляется правовое регулирование общественных отношений. Наиболее распространен в современной компаративистике термин правовая семья Категория правовая семья служит для обозначения группы правовых систем имеющих сходные юридические признаки позволяющие говорить об относительном единстве этих систем. Понятие правовая семья отражает те особенности некоторых правовых систем которые являются результатом...