Страничная организация памяти

Отображение виртуальной памяти в реальную обычно осуществляется с помощью страничной организации памяти.

Виртуальную память в системе со страничной организацией памяти делят на ряд "блоков" фиксированной длины, равной 2k, где k – целое натуральное число. Так как первая ячейка блока N + 1 примыкает к последней ячейке блока N, то программисту факт разбиения ВП на блоки учитывать не требуется.

Оперативная память компьютера делится на "страницы", а вспомогательная – на "сегменты" такого же размера.

Виртуальную память пользователя можно разделить на три типа:

· "активные" блоки, которые содержат программу и данные, используемые в текущий момент;

· "пассивные" блоки, содержащие программу и данные, которые будут использоваться при выполнении программы;

· "мнимые" блоки, к которым не обращаются на протяжении выполнения программы.

Соотношения между первым и вторым типами блоков ВП в процессе выполнения программы изменяются. Третий тип блоков возможен лишь при наличии очень большой области ВП.

Аппарат виртуальной адресации должен отображать виртуальную среду на реальную, причем так, чтобы "активные" блоки находились в оперативной памяти, "пассивные" – по возможности в оперативной или вспомогательной, а мнимые – нигде.

Наиболее удачной из первых ЭВМ со страничной организацией памяти (СОП) является ATLAS (Ferranti). ВП в ней содержит около 2000 блоков по 512 слов. Оперативная память содержит от 32 до 96 страниц тоже по 512 слов. Если ATLAS выполняет процесс, который запрашивает блок из ВП, то некоторым блокам отводятся страницы из оперативной памяти, остальные блоки помещаются на накопитель на магнитном барабане. Фиксированных соотношений между номерами страниц, блоков и сегментов не существует. Динамическое соотношение между сегментами отражено в соответствующей таблице операционной системы.

Преобразование виртуального адреса в реальный происходит с помощью регистров адресов страниц (РАС).
Структура виртуального адреса

. Каждой странице ОП соответствует свой РАС, формат которого дан на рис. 1.9. Аппарат виртуальной адресации отображает

Рис. 1.9. Структура регистра адреса страницы

виртуальный адрес в реальный следующим образом: виртуальный адрес сравнивается одновременно с содержимым всех РАС. Единственным сравнимым с ним РАС будет тот, который содержит тот же номер блока и "1" в разряде активности. РАС определяет номер страницы, с которой он связан. Для получения реального адреса памяти к номеру страницы данного РАС присоединяется номер строки из виртуального адреса (ВА). В последовательной интерпретации процесс отображения ВА в реальный можно представить следующей схемой (рис. 1.10).

Разряд записи в РАС служит для экономии времени перезаписи "страницы" в ВнП. Когда блок переносится из ВнП в оперативную память в разряд записи пишут "0". Если какая?то строка данной страницы ОП изменяется в процессе обращения к ней, то в пишут "1". И пока в разряде записи "0" эта страница является точной копией соответствующего блока в ВнП.

Рис. 1.10. Схема отображения ВА в реальный адрес

В разряд использования "1" посылается при очередном обращении к данной странице. Через равные промежутки времени содержимое регистра использования сканируется и записывается в определенную ячейку памяти, тем самым создавая статистику использования данной страницы. Подобная статистика полезна при замещении страниц в ОП.

Для создания РАС требуется очень дорогая ассоциативная память, поэтому в mainframe?компьютерах число РАС меньше количества страниц ОП. В них каждому блоку ВП отводится в ОП одна последовательная ячейка памяти, указывающая, где хранится данный блок (ОП, ВнП или нигде). Имеется небольшое количество ассоциативных регистров для РАС (обычно 8 или 16).

Полный процесс отображения ВП в реальную выполняется за три этапа.

1. Если происходит обращение к блоку ВП, который должен отображаться на страницу ОП, РАС для которой является одним из 8 (16) ассоциативных регистров, то процесс отображения выполняется согласно схеме, приведенной на рис. 1.11.

2. Если обращение происходит к блоку ВП, для которого условия п. 1 не выполняются, то номер виртуального блока служит указателем для обращения к таблице блоков (ТБ) в оперативной памяти. Если из ТБ видно, что искомый блок находится в оперативной памяти, то номер страницы также может быть выбран из ТБ.

Если же нужный блок находится во вспомогательной памяти или отсутствует вообще, то происходит прерывание, и тогда переходим к управляющей процедуре (см. п. 3).

3. Обработка прерывания.

Для эффективной работы системы необходимо, чтобы ассоциативные регистры содержали РАС для наиболее часто используемых страниц.

Основная цель методов оптимизации распределения реальной памяти состоит в минимизации числа обменов между оперативной и вспомогательной памятью. Отсюда следует, что необходимо корректно выбирать стратегию замещения страниц.

Рис. 1.11. Схема процесса отображения ВА в РА в ЭВМ ATLAS

Основные стратегии замещения страниц, наиболее часто используемые на практике: циклическое изгнание, случайная выборка, наименьшее число обращений с момента последнего прерывания. Результаты экспериментов показали, что ни в одном случае разница в числе обменов, требуемых конкретной задачей при использовании указанных стратегий, не превышала 10 %.

Перенеся концепцию виртуальной памяти на другие компоненты компьютера, мы придем к концепции виртуального компьютера.

Содержание раздела