А.В. Столяров - Введение в операционные системы, страница 8

Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ñèñòåìà îäíîçàäà÷íà, òî çàùèùàòü, âîîáùå ãîâîðÿ, íåêîãî è íå îò ÷åãî, äóáëèðîâàíèå âîçíèêíóòü íåìîæåò (çàäà÷à âñåãî îäíà), ïðîáëåìû ñ ïåðåìåùåíèåì êîäà íå âîçíèêàþò,ò.ê. âñå ïðîãðàììû ìîæíî ãðóçèòü ñ îäíîãî è òîãî æå àäðåñà, îòñóòñòâóåò èôðàãìåíòàöèÿ. Îñòàåòñÿ òîëüêî ïðîáëåìà îáúåìà (äëÿ ñëó÷àÿ îäíîé çàäà÷è,íå óìåùàþùåéñÿ â ïàìÿòè öåëèêîì), íî è ýòà ïðîáëåìà îêàçûâàåòñÿ ðåøàåìàñ ïîìîùüþ îâåðëåéíûõ ñòðóêòóð (÷àñòåé êîäà, çàãðóæàåìûõ è âûãðóæàåìûõïîä êîíòðîëåì îñíîâíîé ïðîãðàììû), õîòÿ ýòî è ñðàâíèòåëüíî ñëîæíî. ìóëüòèçàäà÷íîé ñèñòåìå óïðàâëåíèå îïåðàòèâíîé ïàìÿòüþ ñòàíîâèòñÿñëîæíîé çàäà÷åé, òðåáóþùåé êàê àïïàðàòíîé, òàê è ïðîãðàììíîé ïîääåðæêè.8.28.2.1Óïðàâëåíèå ïàìÿòüþ: îáùèå ïîíÿòèÿÏîäêà÷êàÄëÿ ðåøåíèÿ ïðîáëåìû íåõâàòêè îïåðàòèâíîé ïàìÿòè îïåðàöèîííûå ñèñòåìû èñïîëüçóþò ïîäêà÷êó 2 .

Ïîäêà÷êà ñîñòîèò â òîì, ÷òî íàõîäÿùèåñÿ âîïåðàòèâíîé ïàìÿòè äàííûå, êîòîðûå âðåìåííî íå èñïîëüçóþòñÿ (íàïðèìåð,ïðèíàäëåæàò áëîêèðîâàííûì çàäà÷àì), ìîãóò áûòü äëÿ âðåìåííîãî õðàíåíèÿïåðåíåñåíû íà äèñê (îòêà÷àíû ), à ïðè âîçíèêíîâåíèè â íèõ ïîòðåáíîñòè âíîâü çàãðóæåíû â îïåðàòèâíóþ ïàìÿòü (ïîäêà÷àíû ).Ïàìÿòü òîé èëè èíîé çàäà÷è ìîæåò áûòü îòêà÷àíà íà äèñê öåëèêîì (íàïðèìåð, åñëè äàííàÿ çàäà÷à áëîêèðîâàíà). Êðîìå òîãî, íåêîòîðûå ìîäåëè2 Àíãëèéñêèéòåðìèí swapping31îðãàíèçàöèè óïðàâëåíèÿ ïàìÿòüþ äîïóñêàþò îòêà÷êó îòäåëüíûõ ÷àñòåé ïàìÿòè çàäà÷è; ïðè ýòîì çàäà÷à ìîæåò ïðîäîëæàòü âûïîëíÿòüñÿ.

Ïðè ïîïûòêåçàäà÷è îáðàòèòüñÿ ê îáëàñòè ñâîåé ïàìÿòè, êîòîðàÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ îòêà÷àíà, âîçíèêàåò ïðåðûâàíèå (â çàâèñèìîñòè îò èñïîëüçóåìîãî ïðîöåññîðàýòî ìîæåò áûòü ïðåðûâàíèå ïî çàùèòå ïàìÿòè èëè ñïåöèàëüíîå ñòðàíè÷íîåïðåðûâàíèå ); ïîëó÷èâ óïðàâëåíèå â ðåçóëüòàòå ýòîãî ïðåðûâàíèÿ, îïåðàöèîííàÿ ñèñòåìà îïðåäåëÿåò, ÷òî çàäà÷å òðåáóåòñÿ îòêà÷àííàÿ íà äèñê îáëàñòüïàìÿòè, è ïîäêà÷èâàåò ñîîòâåòñòâóþùèå äàííûå â îïåðàòèâíóþ ïàìÿòü, ïîñëå ÷åãî ïðîäîëæàåò âûïîëíåíèå ïðåðâàííîé çàäà÷è ñ òîãî æå ìåñòà, òàê ÷òîçàäà÷à íè÷åãî î ôàêòå îòêà÷êè íå çíàåò.8.2.2Âèðòóàëüíàÿ ïàìÿòüÈñïîëüçîâàíèå âèðòóàëüíîé ïàìÿòè ïîçâîëÿåò ýôôåêòèâíî ïðåîäîëåâàòü ïðîáëåìó ïåðåìåùåíèÿ êîäà, à â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ îáëåã÷àåò ðåøåíèåïðîáëåì äóáëèðîâàíèÿ äàííûõ, ôðàãìåíòàöèè è çàùèòû. Ðåàëèçàöèÿ ïîäêà÷êè òàêæå îáû÷íî îïèðàåòñÿ íà âèðòóàëüíóþ ïàìÿòü, õîòÿ òåîðåòè÷åñêèìîæåò áûòü ñäåëàíà è áåç íåå.Èäåÿ âèðòóàëüíîé ïàìÿòè ñîñòîèò â òîì, ÷òî èñïîëíèòåëüíûå àäðåñà, ôèãóðèðóþùèå â ìàøèííûõ êîìàíäàõ, ñ÷èòàþòñÿ íå àäðåñàìè ôèçè÷åñêèõ ÿ÷ååê ïàìÿòè, à íåêîòîðûìè àáñòðàêòíûìè âèðòóàëüíûìè àäðåñàìè.

Âñå ìíîæåñòâî âèðòóàëüíûõ àäðåñîâ íàçûâàåòñÿ âèðòóàëüíûì àäðåñíûì ïðîñòðàíñòâîì. Âèðòóàëüíûå àäðåñà ïðåîáðàçóþòñÿ ïðîöåññîðîì â àäðåñà ÿ÷ååê ïàìÿòè (ôèçè÷åñêèå àäðåñà ) ïî íåêîòîðûì ïðàâèëàì, ïðè÷åì ýòè ïðàâèëà ìîãóòäèíàìè÷åñêè èçìåíÿòüñÿ.Îáû÷íî äëÿ êàæäîé çàäà÷è çàäàþòñÿ ñâîè ïðàâèëà âû÷èñëåíèÿ ôèçè÷åñêèõ àäðåñîâ. Òàêèì îáðàçîì, â ðàñïîðÿæåíèè çàäà÷è îêàçûâàåòñÿ ñâîå ñîáñòâåííîå âèðòóàëüíîå àäðåñíîå ïðîñòðàíñòâî, ïðè èñïîëüçîâàíèè êîòîðîãîìîæíî íèêàê íå ó÷èòûâàòü ñóùåñòâîâàíèå äðóãèõ çàäà÷.Ïðè íåîáõîäèìîñòè çàäà÷ó (à â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ è îòäåëüíóþ åå ÷àñòü)ìîæíî ïåðåíåñòè â äðóãîå ìåñòî ôèçè÷åñêîé ïàìÿòè, îäíîâðåìåííî ñ ýòèìèçìåíèâ äëÿ ýòîé çàäà÷è ïðàâèëà ïðåîáðàçîâàíèÿ àäðåñîâ òàê, ÷òîáû íå èçìåíèâøèåñÿ âèðòóàëüíûå àäðåñà ñîîòâåòñòâîâàëè íîâûì ôèçè÷åñêèì.Íåêîòîðûå âèðòóàëüíûå àäðåñà ìîãóò íå èìåòü ñîîòâåòñòâèÿ ôèçè÷åñêèì;ïðè ïîïûòêå çàäà÷è îáðàòèòüñÿ ê òàêèì àäðåñàì âîçíèêàåò ïðåðûâàíèå, êîòîðîå ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíî, ÷òîáû ïîäêà÷àòü ñîîòâåòñòâóþùèó îáëàñòüäàííûõ ñ äèñêà (åñëè îáëàñòü îòêà÷àíà íà äèñê) ëèáî ñíÿòü çàäà÷ó (åñëèîáëàñòü ïàìÿòè ñ òàêèìè àäðåñàìè çàäà÷å íå âûäåëÿëàñü).321111110000000000001111112000000111111000000111111000000111111пределбазаа)11111100000000000011111110000001111111111110000000000001111112000000111111000000111111000000111111пределбазавирт.

адресбаза1111110000000000001111111000000111111б)физ. адресв)Ðèñ. 8: Áàçà è ïðåäåë8.38.3.1Ìîäåëè îðãàíèçàöèè âèðòóàëüíîé ïàìÿòèÏðîñòåéøàÿ ìîäåëü: áàçà è ïðåäåëÑíàáäèì ïðîöåññîð äâóìÿ ðåãèñòðàìè ñïåöèàëüíîãî íàçíà÷åíèÿ, êîòîðûåáóäåì íàçûâàòü áàçà è ïðåäåë. Äëÿ ïðîñòîòû áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â ïðèâèëåãèðîâàííîì ðåæèìå çíà÷åíèÿ ýòèõ ðåãèñòðîâ èãíîðèðóþòñÿ.

Ïîñëå ïåðåõîäàïðîöåññîðà â îãðàíè÷åííûé ðåæèì ïðè âûïîëíåíèè ëþáîé êîìàíäû ïðîöåññîð (íà àïïàðàòíîì óðîâíå) ê ëþáîìó çàäàííîìó êîìàíäîé èñïîëíèòåëüíîìóàäðåñó ïðèáàâëÿåò çíà÷åíèå áàçû è óæå ðåçóëüòàò ýòîãî ñëîæåíèÿ èñïîëüçóåòâ êà÷åñòâå àäðåñà â ôèçè÷åñêîé ïàìÿòè (ðèñ. 8). Ïåðåä îáðàùåíèåì ê ïàìÿòèïðîöåññîð ïðîèçâîäèò (îïÿòü æå íà àïïàðàòíîì óðîâíå) ïðîâåðêó, íå ïðåâûøàåò ëè ïîëó÷åííûé àäðåñ çíà÷åíèÿ ïðåäåëà.

Åñëè îáíàðóæèâàåòñÿ ïðåâûøåíèå, ïðîöåññîð îòðàáàòûâàåò âíóòðåííåå ïðåðûâàíèå íàðóøåíèå çàùèòûïàìÿòè. Ìîäèôèêàöèÿ áàçû è ïðåäåëà ïðè ðàáîòå ïðîöåññîðà â îãðàíè÷åííîì ðåæèìå çàïðåùåíà.Òàêèì îáðàçîì, ðåãèñòð áàçà çàäàåò àäðåñ, íà÷èíàÿ ñ êîòîðîãî â ïàìÿòèðàñïîëàãàåòñÿ òåêóùàÿ çàäà÷à. Èñïîëíèòåëüíûå àäðåñà, çàäàâàåìûå èíñòðóêöèÿìè â êîäå çàäà÷è, íå ñîâïàäàþò ñ íàñòîÿùèìè àäðåñàìè ÿ÷ååê ïàìÿòè, êêîòîðûì â èòîãå ïðîèçâîäèòñÿ îáðàùåíèå, òàê ÷òî ýòè àäðåñà ìîæíî ñ÷èòàòüâèðòóàëüíûìè.Âèðòóàëüíûå àäðåñà òðàêòóþòñÿ êàê áåççíàêîâûå, òàê ÷òî îáðàòèòüñÿ êôèçè÷åñêèì àäðåñàì, íàõîäÿùèìñÿ íèæå áàçû, çàäà÷à íå ìîæåò â ïðèíöèïå:ôèçè÷åñêèé àäðåñ, âû÷èñëåííûé êàê ñóììà âèðòóàëüíîãî àäðåñà è áàçû, âñåãäà áóäåò áîëüøå áàçû. Òàêèì îáðàçîì, âñÿ ïàìÿòü íèæå áàçû îêàçûâàåòñÿçàùèùåíà îò ñëó÷àéíîãî èëè ïðåäíàìåðåííîãî îáðàùåíèÿ ñî ñòîðîíû çàäà÷èïðîñòî ñàìèì ôàêòîì òðàíñëÿöèè àäðåñîâ.Ðåãèñòð ïðåäåë çàäàåò âåðõíþþ ãðàíèöó áëîêà ïàìÿòè, äîñòóïíîãî òåêóùåé çàäà÷å.

Ýòî ïîçâîëÿåò çàùèòèòü òàêæå ïàìÿòü, íàõîäÿùóþñÿ âûøåïðåäåëà.33Àäðåñà â êîäå çàäà÷è òåïåðü ôîðìèðóþòñÿ â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî çàäà÷àáóäåò ðàáîòàòü â àäðåñíîì ïðîñòðàíñòâå, íà÷èíàþùåìñÿ ñ íóëÿ. Îïåðàöèîííàÿ ñèñòåìà ìîæåò çàãðóçèòü çàäà÷ó â ëþáîé ñâîáîäíûé ó÷àñòîê ïàìÿòè:ïðîáëåìà àäàïòàöèè ïðîãðàììû ê àäðåñàì ðåøàåòñÿ óñòàíîâêîé ñîîòâåòñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ áàçîâîãî è ïðåäåëüíîãî ðåãèñòðîâ. Áîëåå òîãî, ïðè íåîáõîäèìîñòè çàäà÷ó ìîæíî ïåðåìåñòèòü â äðóãîå ìåñòî ïàìÿòè − äëÿ ýòîãî äîñòàòî÷íî ñêîïèðîâàòü ñîäåðæèìîå åå àäðåñíîãî ïðîñòðàíñòâà â ïàìÿòü ïî íîâûì àäðåñàì è èçìåíèòü ñîîòâåòñòâóþùèì îáðàçîì çíà÷åíèÿ áàçû è ïðåäåëà.Îïåðàöèîííàÿ ñèñòåìà äëÿ ïåðåäà÷è óïðàâëåíèÿ çàäà÷å çàïîëíÿåò áàçîâûé èïðåäåëüíûé ðåãèñòðû, ïîñëå ÷åãî ïåðåêëþ÷àåò ðåæèì èñïîëíåíèÿ â îãðàíè÷åííûé è ïåðåäàåò óïðàâëåíèå êîäó çàäà÷è.

Ïðè âîçíèêíîâåíèè ïðåðûâàíèÿîãðàíè÷åííûé ðåæèì ñíèìàåòñÿ è óïðàâëåíèå âíîâü ïîëó÷àåò êîä îïåðàöèîííîé ñèñòåìû, êîòîðûé, â ÷èñëå ïðî÷åãî, ìîæåò ïðèíÿòü ðåøåíèå î ïåðåäà÷åóïðàâëåíèÿ äðóãîé çàäà÷å, äëÿ ÷åãî äîñòàòî÷íî èçìåíèòü ñîäåðæèìîå áàçîâîãî è ïðåäåëüíîãî ðåãèñòðîâ íà ñîîòâåòñòâóþùèå äðóãîé çàäà÷å è ïåðåäàòüåé óïðàâëåíèå.ßñíî, ÷òî ïðîáëåìû çàùèòû è àäàïòàöèè ê àäðåñàì òàêèì îáðàçîì ðåøåíû. Ñ ïðîáëåìîé îáúåìà ïàìÿòè äåëà îáñòîÿò äàëåêî íå òàê ãëàäêî: íà äèñêìîæíî ñáðîñèòü òîëüêî öåëèêîì âñþ ïàìÿòü òîé èëè èíîé çàäà÷è.

Êðîìå òîãî, åñëè îáúåìà ôèçè÷åñêîé ïàìÿòè íå õâàòàåò äàæå äëÿ îäíîé çàäà÷è (òîåñòü íàøëàñü òàêàÿ çàäà÷à, ïîòðåáíîñòè êîòîðîé ïðåâûøàþò îáúåì ôèçè÷åñêîé ïàìÿòè), îïèñàííàÿ ìîäåëü âûéòè èç ïîëîæåíèÿ íå ïîçâîëÿåò. Ïðîáëåìà ôðàãìåíòàöèè ðåøàåòñÿ òîëüêî ïóòåì ïåðåìåùåíèÿ çàäà÷ â ôèçè÷åñêîéïàìÿòè, ÷òî âëå÷åò îòíîñèòåëüíî äîðîãîñòîÿùèå îïåðàöèè êîïèðîâàíèÿ ñóùåñòâåííûõ îáúåìîâ äàííûõ. Íàêîíåö, ïðîáëåìà äóáëèðîâàíèÿ íå ðåøåíàâîîáùå.8.3.2Ñåãìåíòíàÿ îðãàíèçàöèÿ ïàìÿòèÓñîâåðøåíñòâóåì ìîäåëü áàçà-ïðåäåë. Äëÿ ýòîãî ââåäåì ïîíÿòèå ñåãìåíòà. Ïîä ñåãìåíòîì áóäåì ïîíèìàòü îáëàñòü ôèçè÷åñêîé ïàìÿòè, èìåþùóþ íà÷àëî (ïî àíàëîãèè ñ áàçîé) è äëèíó (ïî àíàëîãèè ñ ïðåäåëîì).  îòëè÷èå îò ïðåäûäóùåé ìîäåëè, ïîçâîëèì êàæäîé çàäà÷å èìåòü íåñêîëüêî ïàðáàçà-ïðåäåë, òî åñòü íåñêîëüêî ñåãìåíòîâ.Êîíå÷íî, òàêàÿ ñìåíà ìîäåëè ñóùåñòâåííî çàòðîíåò êàê óñòðîéñòâî ïðîöåññîðà, òàê è ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå, ïðè÷åì, åñëè â ìîäåëè áàçàïðåäåë ïîòðåáîâàëàñü ïîääåðæêà ñî ñòîðîíû îïåðàöèîííîé ñèñòåìû, òî âñåãìåíòíîé ìîäåëè íîâóþ àðõèòåêòóðó ïðèäåòñÿ ó÷èòûâàòü è ïðè íàïèñàíèèêîäà ïîëüçîâàòåëüñêèõ ïðîãðàìì (ïî êðàéíåé ìåðå, åñëè ìû çàõîòèì ïèñàòüíà ÿçûêå àññåìáëåðà; òðàíñëÿòîðû ÿçûêîâ âûñîêîãî óðîâíÿ âñå íóæíûå ìî34селекторсмещениеТаблица сегментоватрибуты начальный адресразмерФизический адресÐèñ.

9: Ñåãìåíòíàÿ îðãàíèçàöèÿ ïàìÿòèìåíòû ó÷òóò àâòîìàòè÷åñêè ïðè ïåðåâîäå íàøåé ïðîãðàììû â èñïîëíÿåìûéêîä).Èòàê, ïåðâîå è íàèáîëåå âèäèìîå íîâøåñòâî ñîñòîèò â òîì, ÷òî â èñïîëíÿåìîì àäðåñå (òî åñòü â àäðåñå, ôîðìèðóåìîì òåì èëè èíûì ñïîñîáîì èíñòðóêöèÿìè ïðîöåññîðà) ïîÿâëÿåòñÿ ñïåöèôè÷åñêàÿ ÷àñòü, èìåíóåìàÿ ñåëåêòîðîìñåãìåíòà.

Ïîä ñåëåêòîð ñåãìåíòà ìîæíî îòâåñòè íåñêîëüêî ñòàðøèõ áèòîâàäðåñà, ëèáî èñïîëüçîâàòü îòäåëüíûé ñïåöèàëüíî ïðåäíàçíà÷åííûé ðåãèñòðïðîöåññîðà.Ñåëåêòîð ñåãìåíòà ñîäåðæèò ÷èñëî, ïðåäñòàâëÿþùåå ñîáîé, óïðîùåííîãîâîðÿ, ïîðÿäêîâûé íîìåð ñåãìåíòà â òàáëèöå äåñêðèïòîðîâ ñåãìåíòîâ. Íàêàæäûé ñåãìåíò ýòà òàáëèöà ñîäåðæèò ôèçè÷åñêèé àäðåñ åãî íà÷àëà è åãîäëèíó, ïëþñ ê ýòîìó íåêîòîðûå ñëóæåáíûå ïàðàìåòðû (íàïðèìåð, ôëàãè,ðàçðåøàþùèå èëè çàïðåùàþùèå çàïèñü â ýòîò ñåãìåíò, èñïîëíåíèå åãî ñîäåðæèìîãî â êà÷åñòâå êîäà è ò.ï.).

Ôèçè÷åñêèé àäðåñ ÿ÷åéêè ïàìÿòè âû÷èñëÿåòñÿ ïóòåì ïðèáàâëåíèÿ àäðåñà íà÷àëà ñåãìåíòà, âçÿòîãî èç ñòðîêè òàáëèöû, âûáðàííîé ñåëåêòîðîì, ê ñìåùåíèþ, âçÿòîìó èç èñïîëíèòåëüíîãî àäðåñà(ðèñ. 9).Âîçìîæíîñòü èìåòü íåñêîëüêî ñåãìåíòîâ äëÿ îäíîé çàäà÷è ïîçâîëÿåò, íàïðèìåð, ñäåëàòü íåêîòîðûé ñåãìåíò îáùèì äëÿ äâóõ è áîëåå çàäà÷ (òî åñòüòåïåðü ìû ìîæåì ðåøèòü ïðîáëåìó äóáëèðîâàíèÿ).Íåêîòîðûå ïðåèìóùåñòâà ìû ïîëó÷àåì è â îòíîøåíèè ïðîáëåì îáúåìà èôðàãìåíòàöèè. Îòêà÷èâàòü íà äèñê ïî-ïðåæíåìó òðåáóåòñÿ ñåãìåíò öåëèêîì,íî ïðè íàëè÷èè ó êàæäîé çàäà÷è íåñêîëüêèõ ñåãìåíòîâ ýòî âñå æå ïðîùå,÷åì îòêà÷èâàòü âñþ çàäà÷ó; òî÷íî òàê æå ïðè ïåðåìåùåíèè äàííûõ ñ öåëüþ35äåôðàãìåíòàöèè ìîæíî ïåðåìåùàòü íå çàäà÷ó öåëèêîì, à ëèøü íåêîòîðûå èçåå ñåãìåíòîâ, è, êñòàòè, íàéòè ñâîáîäíóþ îáëàñòü ïîäõîäÿùåãî ðàçìåðà äëÿðàçìåùåíèÿ ñåãìåíòà â ñðåäíåì ïðîùå, ÷åì äëÿ âñåé çàäà÷è3 .Êðîìå òîãî, ñåãìåíòû ñàìè ïî ñåáå ïðåäñòàâëÿþò îïðåäåëåííîå óäîáñòâî.Ïðåäñòàâüòå ñåáå, ÷òî â íàøåé çàäà÷å èìååòñÿ íåñêîëüêî áîëüøèõ òàáëèö,êàæäàÿ èç êîòîðûé ìîæåò óâåëè÷èâàòüñÿ â ðàçìåðàõ.