Глава 4 (1085728), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

MOV REG,1000

о
на делает это для того, чтобы скопировать содержимое памяти по адресу 1000 в регистр REG (или наоборот, в зависимости от компьютера). Адреса могут форми­роваться с использованием индексации, базовых регистров, сегментных регистров и другими путями.

Рис. 4.9. Расположение и функции диспетчера памяти (MMU). Здесь диспетчер памяти показан как часть микросхемы процессора, потому что в наши дни это обычно так и есть. Но логически он мог бы быть отдельной микросхемой, и так было некоторое время назад

Эти программно формируемые адреса, называемые виртуальными адресами, формируют виртуальное адресное пространство. На компьютерах без виртуальной памяти виртуальные адреса подаются непосредственно на шину памяти и вызыва­ют для чтения или записи слово в физической памяти с тем же самым адресом. Когда используется виртуальная память, виртуальные адреса не передаются на­прямую шиной памяти. Вместо этого они передаются диспетчеру памяти (MMU — Memory Management Unit), который отображает виртуальные адреса на физичес­кие адреса памяти, как продемонстрировано на рис. 4.9.

Очень простой пример того, как работает отображение, приведен на рис. 4.10. Мы рассматриваем компьютер, который может формировать 16-разрядные адре­са, от 0 до 64 К. Это виртуальные адреса. Однако у этого компьютера только 32 Кбайт физической памяти, поэтому, хотя программы размером 64 Кбайт могут быть написаны, они не могут целиком быть загружены в память и запущены. Пол­ная копия образа памяти программы размером до 64 Кбайт должна присутство­вать на диске, но в таком виде, чтобы ее можно было по мере надобности перено­сить в память по частям.

Пространство виртуальных адресов разделено на единицы, называемые стра­ницами. Соответствующие единицы в физической памяти называются странич­ными блоками (page frame). Страницы и их блоки имеют всегда одинаковый раз­мер. В этом примере они равны 4 Кбайт, но в реальных системах использовались размеры страниц от 512 байт до 64 Кбайт. Имея 64 Кбайт виртуального адресного пространства и 32 Кбайт физической памяти, мы получаем 16 виртуальных стра­ниц и 8 страничных блоков. Передача данных между ОЗУ и диском всегда проис­ходит в страницах.

Когда программа пытается получить доступ к адресу 0, например, используя команду

MOV REG,О

виртуальный адрес 0 передается диспетчеру памяти (MMU). Диспетчер памяти видит, что этот виртуальный адрес попадает на страницу 0 (от 0 до 4095), которая отображается страничным блоком 2 (от 8192 до 12287). Диспетчер переводит виртуальный адрес 0 в физический адрес 8192 и выставляет последний на шину. Память ничего не знает о диспетчере памяти и видит просто запрос на чтение или запись слова по адресу 8192, который и выполняет. Таким образом, диспетчер па­мяти эффективно отображает все виртуальные адреса между 0 и 4095 на физичес­кие адреса от 8192 до 12287.

Рис. 4.10. Связь между виртуальными и физическими адресами, получаемая с помощью таблицы страниц

Точно так же инструкция

MOV REG, 8192

преобразуется в команду

MOV REG, 24576

поскольку виртуальный адрес 8192 находится на виртуальной странице 2, а эта страница отображается на физический страничный блок 6 (физические адреса от 24576 до 28671). В качестве третьего примера рассмотрим виртуальный адрес 20500, который адресует 20-й байт от начала виртуальной страницы 5 (виртуальные адре­са от 20480 до 24575) и отображается на физический адрес 12288 + 20 = 12308.

Сама по себе возможность отображения 16 виртуальных страниц на любой из восьми страничных блоков с помощью установки соответствующей карты в дис­петчере памяти не решает проблемы, заключающейся в том, что размер виртуаль­ного адресного пространства больше физической памяти. Так как у нас есть толь­ко восемь физических страничных блоков, только восемь виртуальных страниц на рис. 4.10 воспроизводятся в физической памяти. Другие страницы, обозначенные на рисунке крестиками, не отображаются. В фактическом аппаратном обеспече­нии страницы, физически присутствующие в памяти, отслеживаются с помощью бита присутствия/отсутствия.

Что происходит, если программа пытается воспользоваться неотображаемой страницей, например, с помощью инструкции

MOV REG, 32780

которая обращается к байту 12 на виртуальной странице 8 (начинающейся с адре­са 32768)? Диспетчер памяти замечает, что страница не отображается (обозначе­на крестиком на рисунке), и инициирует прерывание центрального процессора, передающее управление операционной системе. Такое прерывание называется ошибкой из-за отсутствия страницы или страничным прерыванием (page fault). Операционная система выбирает малоиспользуемый страничный блок и записы­вает его содержимое на диск. Затем она считывает с диска страницу, на которую произошла ссылка, в только что освободившийся блок, изменяет карту отображе­ния и запускает заново прерванную команду.

Например, если операционная система решает удалить из оперативной памяти страничный блок 1, она загружает виртуальную страницу 8 по физическому адре­су 4 К и производит два изменения в карте диспетчера памяти. Во-первых, отме­чается содержимое виртуальной страницы 1 как неотображаемое для того, чтобы перехватывать в будущем любые попытки обращения к виртуальным адресам меж­ду 4 К и 8 К. Затем заменяется крест в записи для виртуальной страницы 8 на но­мер 1, так что когда прерванная команда будет выполняться заново, она отобразит виртуальный адрес 32780 на физический адрес 4108.

Теперь рассмотрим диспетчер памяти изнутри, чтобы увидеть, как он работает, и понять, почему мы выбрали размер страницы, являющийся степенью числа 2. На рис. 411 представлен пример виртуального адреса 8196 (0010000000000100 в двоичном виде), который отображается с использованием карты диспетчера памяти на рис 4.10. Входящий 16-разрядный виртуальный адрес разделяется на 4-разрядный номер страницы и 12 битов смещения. При 4 битах под номер стра­ницы в нашей системе может существовать 16 страниц, а с 12 битами смещения мы можем адресоваться ко всем 4096 байтам внутри страницы.

Номер страницы используется в качестве индекса в таблице страниц, выдаю­щей номер страничного блока, соответствующего виртуальной странице. Если бит Присутствия/отсутствия равен 0, управление переходит к операционной систе­ме. Если этот бит равен 1, то номер страничного блока, найденный в таблице стра­ниц, записывается в три старших бита выходного регистра, а 12 битов смещения копируются без изменения из входящего виртуального адреса. Все вместе они со­ставляют 15-разрядный физический адрес. Затем выходной регистр помещается на шину памяти как адрес физической памяти

Таблицы страниц

В простейшем случае отображение виртуальных адресов на физические происхо­дит так, как мы только что описали. Виртуальный адрес делится на номер виртуаль­ной страницы (старшие биты) и сдвиг (младшие биты) Например, при 16-разрядных адресах и размере страницы 4 Кбайт старшие 4 бита могут указывать одну из 16 виртуальных страниц, а нижние 12 бит могут определять байт смещения (от 0 до 4095) внутри выбранной страницы. Однако разбиение страницы на 3,5 или какое-нибудь другое число битов также возможно. Разные части подразумевают различ­ные размеры страниц.

Номер виртуальной страницы используется как индекс в таблице страниц для поиска записи этой страницы. По записи в таблице страниц находится номер фи­зического блока страницы (если это имеет место). Данный номер присоединяется к старшим разрядам числа смещения, замещая номер виртуальной страницы и тем самым формируя физический адрес, который может быть послан в память.

Назначение таблицы страниц заключается в отображении виртуальных стра­ниц на страничные блоки. Говоря математически, таблица страниц — это функция, имеющая в качестве аргумента номер виртуальной страницы и получающая в ре­зультате номер физического блока. Используя результат действия этой функции, поле виртуальной страницы в виртуальном адресе может быть заменено полем страничного блока, таким образом, формируется физический адрес.

Несмотря на столь простое описание, нам придется столкнуться с двумя важ­ными проблемами:

1. Таблица страниц может быть слишком большой.

2. Отображение должно быть быстрым.

Первый пункт следует из того факта, что современные компьютеры исполь­зуют по крайней мере 32-разрядные виртуальные адреса. При размере страницы, скажем, 4 Кбайт, 32-разрядное адресное пространство будет состоять из одного миллиона страниц, а 64-разрядное адресное пространство будет включать в себя намного больше страниц, чем то количество, с которым вы захотите иметь дело. При одном миллионе страниц в виртуальном адресном пространстве таблица страниц должна состоять из одного миллиона записей. И помните, что каждый процесс нуждается в своей собственной таблице страниц (потому что у него есть свое собственное виртуальное адресное пространство).

Второй пункт — это вывод из того факта, что преобразование виртуальных адре­сов в физические должно быть выполнено для каждого обращения к ячейке памя­ти. Типичная команда процессора включает в себя слово-команду и часто также операнд памяти. В результате необходимо сделать 1,2 или иногда больше обраще­ний к таблице страниц за команду. Если выполнение команды занимает, скажем, 4 нc, то поиск в таблице страниц должен быть сделан меньше, чем за 1 нc, чтобы преобразование виртуальных адресов не стало главным узким местом системы.

Потребность в огромном, но при этом быстром страничном отображении на­кладывает существенные ограничения на способы построения компьютеров. Хотя проблема наиболее серьезно встает для старших моделей семейства, она также появляется и для младших моделей, когда стоимость и соотношение цена/произ­водительность имеют критическое значение. В этом и следующих разделах мы рас­смотрим устройство таблицы страниц в деталях и покажем несколько аппаратных решений, которые использовались в реальных компьютерах.

Простейшее конструкторское решение (по крайней мере, концептуально) за­ключается в поддержании таблицы страниц, состоящей из массива быстрых аппа­ратных регистров с одной записью для каждой виртуальной страницы, индексиро­ванного по номерам виртуальных страниц, как показано на рис. 4.11. Когда процесс запускается, операционная система загружает в регистры таблицу страниц процес­са, данные берутся из копии, хранящейся в оперативной памяти. Во время выпол­нения процесса таблице страниц больше не нужно обращаться к памяти. Преиму­щество этого метода заключается в его простоте и отсутствии необходимости обращений к памяти во время преобразования адресов. Недостатком является его потенциально высокая стоимость (если таблица страниц велика). Необходимость загрузки полной таблицы в регистры при каждом контекстном переключении наносит ущерб производительности.

Другая крайность заключается в том, что таблица страниц целиком располагает­ся в оперативной памяти. Тогда все необходимое оборудование состоит из одного-единственного регистра, указывающего на начало таблицы страниц. Такая схема позволяет изменять карту памяти при контекстном переключении путем переза­грузки только одного регистра. Конечно, она имеет свой недостаток: во время вы­полнения каждой инструкции программы требуется одно или несколько обращений к памяти для чтения записей таблицы страниц. По этой причине данный ме­тод редко используется в своем чистом виде, но ниже мы изучим несколько его разновидностей, имеющих намного более высокую производительность.

Многоуровневые таблицы страниц

Чтобы обойти проблему необходимости постоянного хранения в памяти огром­ных таблиц страниц, многие компьютеры используют многоуровневую таблицу страниц. Простой пример представлен на рис. 4.12. На рис. 4.12, а изображен 32-разрядный виртуальный адрес, который разделен на 10-разрядное поле РT1, 10-разрядное поле РT2 и 12-разрядное поле Offset (смещение). Так как под сме­щение отведено 12 бит, страницы имеют размер 4 Кбайт, и их всего 2²⁰.

Секрет метода многоуровневой таблицы страниц заключается в том, чтобы избе­гать постоянного содержания в памяти всех таблиц страниц. В частности, те части, которые не нужны в данный момент, не должны храниться в памяти. Предположим, например, что процессу нужно 12 Мбайт, младшие 4 Мбайт памяти для текста про­граммы, следующие 4 Мбайт для данных и старшие 4 Мбайт для стека. Между вер­хом данных и низом стека образуется гигантский свободный участок, который не используется.

На рис. 4.12, б мы видим, как в данном примере работает двухуровневая табли­ца страниц. Слева находится таблица страниц верхнего уровня с 1024 записями, соответствующими 10-разрядному полю РT1. Когда виртуальный адрес предстает перед диспетчером памяти, он сначала выделяет поле РT1 и использует его зна­чение как индекс таблицы верхнего уровня. Каждая из этих 1024 записей пред­ставляет 4 М, потому что целое 4-гигабайтное (то есть 32-разрядное) виртуальное адресное пространство было нарезано на куски по 1024 байта.

Характеристики

Список файлов книги