А.Н. Томилин - Вычислительные системы (2006), страница 20

А если это был человек (запускал сам программу), то он мог затеретьэту память — никакой защиты не было. И здесь, с адреса 1000 пиши свои программы. Тызнаешь, что на адресе 110 находится sin, на адресе 140 находится tg и т.д. и т.д. Можешь обращаться, на сумматоре будет x, получишь sin x, продолжишь дальше вычисления. Если ты,конечно, не затёр это дело. Т.е. машина находилась полностью в ведение человека, которыйза ней находился, т.е.

все первые машины были машины персональные на тот момент, когдатам работал человек.Конечно, это было не удобно. Человек в пределах своего времени сидел, ничего не получалось, он сидел, думал — машина стояла. Потом запускал заново: перебивал карты, запускал, у него опять ничего не получалось и т.д. Конечно, это было не дело, и решили уметьпомещать задачи в любое место памяти, и обеспечить тем самым для автооператора возможность быстрой смены задач.А дальше было сделано так: вот помещаем сюда задачу 1, в некоторых случаях говорили «задание».

Но «задание» нехорошо, потому что есть такой IBM’овский классическийподход, что есть задание, которое вводится в машину, помещается на внешнюю память машины, задание разбивается на шаги задания, для выполнения каждого шага задания формируется задача, и при смене их выполняется задание пользователя. При этом все задачи пи59шутся с 0 до какого-то адреса. Это всё под управлением автооператора, заранее через оператора отдали перфокарты. Как раньше пользовались вычислительным центром? Имеетсяокошечко вырезанное, где находятся полочки. Вы на эту полочку кладёте свою колоду перфокарт и уходите.

Через сутки (иногда меньше) получаете распечаточку.Итак, задача могла помещаться на любой свободный участок памяти. И вот здесь находился регистр, в котором указывался базовый адрес. Естественно, он указывал на началоэтого участка. И ещё один был регистр — «длина» задачи. Т.е. когда у вас возникал какой-тоадрес (215) — в данном случае будем уже называть его виртуальным, — то он складывалсяс базовым адресом (4000) и получался адрес (4215), к которому и происходило обращение.Была известна длина задачи, если в результате ошибки генерировался адрес больший, чем10777 (= 4000 + 5000 - 1), то всё — прерывание, надо выбрасывать задачу, ошибка и т.д.

Приэтом происходит защита других областей памяти от вашей задачи.ОС4215базовый адрес (4000)задача 1“длина” задачи (5000)107770215задача 3задача 2Ясное дело, что поскольку задачи имеют разную длину, хотя не превышающую какогото. Одна задача может выполнять какой-то обмен с внешними устройствами, в этот момент,не теряя времени, может пойти другая задача, и этим занимаются операционные системы,пусть даже на уровне автооператора. Так или иначе, реализуется мультипрограммный (илимногопрограммный) режим. В данном случае, многопрограммный режим — это говорит озадачах, имеющих собственный виртуальный адрес. Когда мы будем говорить о многих процессах в одной задаче на одном виртуальном адресном пространстве — это многонитевый(multythread’овый) — много легковесных процессов.Итак, вот таким способом (за счёт введения дополнительного оборудования) задача,идущая на процессоре, в момент её прохождения на базовый адрес заносился адрес началаинформации задачи в памяти (физический), и её длина ограничивала возможность работатьтолько в пределах информации этой задачи (вся остальная информация в памяти защищалась от этой).

Ясное дело, сразу какой здесь возникал недостаток — это фрагментация, которая затем стала называться внешней фрагментацией.задача 1свободные местазадача 2задача 3Свободные места получились исторически так. Ясное дело, что при этом хорошозащищаются и вот эти вот вещи. Возникают вот эти «дырки», т.е. фрагментация.

Вам нужно4-ю задачу запустить. В сумме этих 3-х свободных мест хватит, чтобы ввести материал 4-йзадачи, но каждого из них не достаточно. Поэтому приходится всё это подвигать — целаябольшая работа. И потом, понимаете, какую-то задачу не закончили, вы можете её удалитьна внешний носитель (допустим, всю целиком), потом её ввести, но опять нужен свободныйучасток памяти или опять всё подвигать. Т.е. конечно, такая организация мультипрограммного режима вызывает очень большие накладные расходы. Тем не менее, достигнут мультипрограммный режим, и появилась реализация виртуальной памяти.60Всё это вместе называется односегментное отображение. Когда мы будем говорить осегментации памяти, это совершенно другая ипостаси.

В данном случае, это неструктурированная организация памяти: ваши адреса не имеют структуры, просто у вас один неструктурированный массив с 0 до 4000).Как в пределах односегментного отображения попытались выйти из положения? Довольно интересный вариант, который был реализован в IBM 360, а затем у нас в машинахсерии ЕС. Что они сделали? Повторяю, что слово «сегментация», которое у нас появится через несколько минут — это совершенно другая. Сегментная и страничная организация памяти, а также сегментно-страничная — это всё 3 вида структурированной организации памяти.А это просто историческое название — «сегментное отображение».Вот смотрите, что было: они взяли и разделили память на участки одинаковой длины(2 Кб).

И вообще говоря, этим самым избавились (или почти избавились) от фрагментации.Что именно? Они вот так поступили: они определили режим мультипрограммирования дляколичества задач не более 16, т.е. от 1 до 15. Нулевая — операционная система. И сделанобыло вот что: у каждого такого участка памяти существовал регистр защиты.

Причём этобыла нормальная память, а регистр был на более быстрой памяти («на тонких плёнках» —как-то так они называли).регистр защиты2 Кбпамять“ключей защиты”И этот регистрик имел всего 4 разряда, в который помещался номер задачи (допустим,у нас с вами первая задача — 0001). Первая задача попросила у операционной системы: «дайпамять» — даже такое обращение называлось get_mem (дай память). Она говорила: «вот тебе, пожалуйста, память», и отдавала ей физический адрес. И задача работала в физическихадресах, не беспокоясь, что кого-то затрёт, потому что она получала эти адреса и в них работала.

Допустим, что вот этот участок памяти был отдан какой-нибудь третьей задаче. Еслизадача работает в пределах своего участка памяти, она «знает» — получила адрес 4000 —что может работать на расстояние 2 Кб. Если она сгенерировала адрес физический (что возможно) не свой, то всякое обращение к адресу вызывает сравнение: сейчас какая задача работает? — первая. В некотором регистре, называемом PSW (во многих машинах существовал этот регистр), а в некоторых ещё даже называли его LPSW (long PSW). А что такое PSW?А как хотите, так и переводите: Program Status Word, Process Status Word — тот процесс(задача), которая идёт сейчас на процессоре.PSWProgram (Process) Status Word0001текущая задачаСейчас идёт первая задача, вот здесь и находится единичка (в этом PSW). Задача работает, обращается к каким-то своим ячейкам по считыванию, по записи, и всякое обращениесравнивается со значением регистра защиты.

Как только появился адрес троечка — о, нет,это нельзя. Защита. Поэтому это даже называлось память «ключей защиты».Вот она попросила — ей дали 2 Кб. Она говорит: «Дай ещё!» — «Пожалуйста, вот кусок какой-то свободный, начиная с какого-то адреса». Таким образом, информация задачиуже попадала в память не обязательно подряд (была раскидана по памяти). Она работает в61физических адресах, нет виртуальных. Т.е. исчезли как бы виртуальные адреса. Защита всехостальных участков памяти полностью организована, и вроде бы как мы достигли новогокачества: мы исключили фрагментацию. Ей нужно может быть не 2 Кб, а поменьше, но этоуже второй вопрос — будет, так называемая, внутренняя фрагментация.

И после этого появилось слово «внешняя фрагментация». Но внешняя фрагментация при этом полностью исчезла. Но исчезли и виртуальные адреса. Отдельные части программы этими адресами связаны, обмениваются и прочее, и будет работать только на них.

Если убрать задачу всю целиком, или даже какую-то часть её на внешнюю память (приостановить выполнение задачи) —можно, но обратно сюда же, а не куда-нибудь ещё. В односегментном отображении — пожалуйста, вы задачу можете убрать всю целиком и поместить на какое-то другое место (всюцеликом). Здесь вы можете убрать кусочек и поместить его на это же место, а не куда-нибудьещё.

Это конечно, резко ограничивало. Этот момент — динамика со своей стороны подкачала. Становится неудовлетворительной, когда вам нужно действительно какую-то задачуприостановить, вытащить другую, потом эту. Здесь резко ухудшилось состояние динамики.Это тоже относится к односегментному отображению. У вас нет структуризации. Конечно все эти затруднения и этого варианта и другого, привели к структуризации оперативной памяти, и сейчас мы её рассмотрим.Итак, мы говорим, что нам выделили под задачу 5000 ячеек. Представим, что задача унас существенно больше — 100000 ячеек.

Нам сказали: «Прости, у нас вся память 20 тыс.Тебе только 5, дай и соседу поработать». Что же делать? Как решать такую задачу? Что,раньше не решались такие задачи? Конечно, решались. Делали это даже очень просто. Вот увас есть адреса с 0 до 4777. Вы где-то у себя программируете модуль А, начиная с 1000. Имодуль B вы программируете тоже, начиная с 1000.

И когда модуль А отработал, то вы егопереписываете во внешнюю память (ВП), и сюда подкачиваете модуль B. Вы занимаетесьвот этим качанием, вы выкручиваетесь и на меньшем объёме виртуальной памяти реализуетеработу своей большой задачи, программируя на одни и те же виртуальные адреса. Такие модули, имеющие одни и те же адреса, стали называться оверлеями (overlay), а процесс называли свопингом, оверлеенгом и т.д.

Т.е. это делал сам программист, он не мог избавиться оттаких оверлеев. Даже в той модели, где он запрашивал «дай ещё, дай ещё, дай ещё», памятьвсё равно была (физическая) небольшая, а у него задача — большая. И поэтому всё равно влюбом случае приходится заниматься вот этими оверлеями.то, что могут датьОПВП01000А10001000B1000C4777Так вот структуризация памяти позволила полностью избавиться от оверлеев. Этаструктуризация памяти привела почти параллельно к двум вариантам: сегментной и страничной.Сегментная организация памятиИтак, сегментная и страничная организация.

А поскольку имеется сегментностраничная, то отсюда ясно, что и сегментная, и страничная организация много дали чего.Во-первых, полностью исключили оверлей. Возникла виртуальная память на полный объём62вашей памяти, т.е. вы считаете, что у вас машина на такую длину памяти, а машина на память в 10 раз меньше. И без вашего участия, с помощью поддержки операционной системы,ваша виртуальная память существенно большего размера, чем физическая, реализуется наэтой памяти. При этом возникали недостатки как сегментной, так и страничной организациипамяти.