Курынин Р.В., Машечкин И.В., Терехин А.Н. - Конспект лекций по ОС (1114685), страница 18
Текст из файла (страница 18)
С другой стороны, исполнительный адрес программы можнопроинтерпретировать как относительный адрес, т.е. адрес, зависящий от места дислокациипрограммы в ОЗУ. Иными словами, имеется оперативная память с ячейками с номерами от 0 донекоторого A–1, и, начиная с некоторого адреса K, расположена программа. Тогда адрес Aисп.прог.внутри программы можно трактовать, как отступ от физической ячейки с адресом K на величинуAисп.прог.. Для реализации модели базирования используется специальный регистр базы, в которыйв момент загрузки процесса в оперативную память операционная система записывает начальныйадрес загрузки (т.е. K).
Тогда реальный физический адрес получается, исходя из формулы Aисп.физ.=Aисп.прог.+<Rбазы>.Аппарат базирования позволяет разрешить проблему перемещаемости программ по ОЗУ,поскольку процесс можно загрузить в любую область памяти. Но при этом необходимо помнить,что программа представляется в виде непрерывной области виртуальной памяти, котораязагружается в непрерывный фрагмент физической памяти.Развитием аппарата виртуальной памяти является аппарат страничной организациипамяти.
Ниже мы рассмотрим модельный сильно упрощенный пример страничной памяти.Данная модель представляет все адресное пространство оперативной памяти в видепоследовательности страниц. Страница — это область адресного пространства фиксированногоразмера: обычно размер страницы кратен степени двойки, будем считать, что размер страницы 2 k.Тогда все адресное пространство представимо в виде последовательности страниц (нулевая,первая и т.д.). Сказанное означает, что структура адреса представима в виде двух полей (1.2.6.5):правые k разрядов представляют адрес внутри страницы, а оставшиеся разряды отвечают за номерстраницы. Тогда количество страниц в системе ограничено разрядностью поля «Номер страницы».0ая страницаСтруктура адреса:k k-11 страницаНомер страницы…Количество страницограничено размеромполя «Номер страницы»ая0Номер в страницеРис.
50.Страничная организация памяти.В центральном процессоре имеется аппаратная таблица, называемая таблицей страниц,предназначенная для следующих целей. Количество строк в этой таблице определяетсямаксимальным числом виртуальных страниц, ограниченное схемами работы процессора имаксимальной адресной разрядностью процессора. Каждой виртуальной странице ставится всоответствие строка таблицы страниц с тем же номером (нулевой странице соответствует нулеваястрока, и т.п.).
Внутри каждой записи таблицы страниц находится номер физической страницы, вкоторой размещается соответствующая виртуальная страница программы. Соответственно,62аппарат виртуальной страничной памяти позволяет автоматически (т.е. аппаратно)преобразовывать номер виртуальной страницы на номер физической страницы посредствомобращения к таблице страниц (1.2.6.5). Программных действий при таком подходе требуетсяминимально: при выборе операционной системой очередного процесса, который ставится наобработку на центральный процессор, она должна лишь корректно заполнить аппаратную таблицустраниц процессора для данного процесса.Aисп.вирт.k k-1Номер виртуальной страницы0Номер в страницеТаблица страницAисп.физ.k k-1Номер физической страницы0Номер в страницеРис. 51.Страничная организация памяти.
Преобразование виртуального адреса в физический.Типовая схема преобразования адресов достаточно проста (1.2.6.5). Пускай в таблицестраниц имеется N строк. Это означает, что в компьютере дозволено использовать N страниц.Содержимое каждой i-ой строки таблицы — αi, оно определяется операционной системой вмомент запуска процесса. Пускай в нашем модельном примере если αi >= 0, то это номерфизической страницы, которая соответствует i-ой виртуальной странице.
Если αi < 0, то этоозначает, что данной страницы у программы нет, и если в ходе обработки процесса процессоробращается к строке таблицы страниц с отрицательным содержимым, происходит прерывание позащите памяти. Причин возникновения прерывания в данном случае может две. Во-первых, можетоказаться, что действительно i-ой виртуальной страницы у программы нет, что свидетельствует обошибке в программе. Во-вторых, может оказаться, что соответствующей страницы нет воперативной памяти, она расположена на внешнем запоминающем устройстве (ВЗУ), т.е. данная iая виртуальная страница легальна, но в данный момент ее нет в ОЗУ.
Так или иначе, операционнаясистема анализирует причину возникновения прерывания и для последнего случая осуществляетподкачку из ВЗУ в ОЗУ требуемой страницы.Отметим, что страничная организация памяти решает все вышеперечисленные проблемы,связанные с выполнением программ. Здесь имеется механизм защиты памяти (в этой схемепроцесс никогда не сможет обратиться к «чужой» странице), но также имеется возможностьразделять некоторые страницы между несколькими процессами (в этом случае операционнаясистема каждому из процессов допишет в таблицу страниц номер общей страницы). Данная схемаобладает достаточной производительностью, поскольку ее функционирование построено наиспользовании регистров.
Также данный подход решает проблему фрагментации, поскольку всепрограммы оперируют в терминах страниц (каждая из которых имеет фиксированный размер).Помимо этого решается еще и проблема перемещаемости программ по ОЗУ, причем даже врамках одной программы соответствие между виртуальными и физическими страницами можетоказаться произвольным: ее нулевая виртуальная страница может располагаться в однойфизической странице, первая виртуальная — в другой (совершенно не связанной с первой)физической странице, и т.д. Еще одним важным достоинством страничной организации памятизаключается в том, что нет необходимости держать в оперативной памяти весь исполняемыйпроцесс. Реально в ОЗУ может находиться лишь незначительное число страниц, в которыхрасположены команды и требуемые для текущих вычислений операндов, а все оставшиесястраницы могут находиться на внешней памяти — в областях подкачки.
Как следствие только чтосказанного является то, что размеры физической и виртуальной памяти могут быть63произвольными. Может оказаться, что физической памяти в компьютере больше, чем размерыадресного пространства виртуальной памяти, а может оказаться и наоборот: физической памятисущественно меньше виртуальной. Но во всех этих случаях система окажется работоспособной.Aисп.вирт.k k-1Номер виртуальной страницы0α01α12α2αi ≥ 0Номер в страниценетдаiαiПолученная страница неразмещена в ОЗУПрерывание по защитепамяти.
Причина?m–1αm–10i-ой виртуальной страницесоответствует физическая сномером αiПолучаем адрес физическойстраницы Aисп. физ. .Продолжение работы программыОбращение в«чужую» памятьСтраница откачана в целяхоптимизации использования ОЗУSTOPПодкачка нужной страницы,вычисление физического адреса,продолжение работы программыРис. 52.Страничная организация памяти. Схема преобразования адресов.Но данный подход имеет и свои недостатки.
Во-первых, это страничная фрагментация, иливнутренняя (скрытая) фрагментация: если в странице используется хотя бы один байт, то всястраница отводится процессу (т.е., решив вопрос с т.н. внешней фрагментацией, в указанномслучае не используется память, размером со страницу минус один байт). К тому же описаннаявыше модель является вырожденной: если таблица страниц целиком располагается на регистровойпамяти, то в силу дороговизны последней размеры подобной таблицы будут слишком малы (аследовательно, будет невелико количество физических страниц). Реальные современные системыимеют более сложную логическую организацию, и речь о ней пойдет ниже.Напоследок заметим, что данное нами определение аппарата виртуальной памятирасходится с определениями некоторых других источников. Повторим, что мы рассматриваеммеханизм виртуальной памяти как механизм преобразования виртуального адресногопространства в физическое.
Во многих изданиях, посвященных рассмотрению операционныхсистем, виртуальной памятью считается то, что позволяет часть программы размещать на внешнихустройствах, т.е. считают механизм виртуальной памяти как средство увеличения объемафизической памяти. Мы считаем такое определение некорректным.
Если рассматривать,например, виртуальную память как механизм увеличения объема, то возникает вопрос: в случаебольшого объема физической памяти разве виртуальная память отсутствует? Соответственно,возникают проблемы с подобным определением.И еще одно важное замечание. В компьютере имеется физическое адресное пространство ивиртуальное.
Физическое пространство — это та оперативная память, которая физически можетбыть подключена к компьютеру, а виртуальное адресное пространство — это то пространство,которое доступно программе. И возникает вопрос, что и каким способом задает максимальныеразмеры этих адресных пространств. На размер виртуального адресного пространства влияетразрядность исполнительных адресов, получаемых в ходе обработки программы на центральномпроцессоре. Размеры физического пространства определяется характеристикой компьютера:64зависит от того, сколько физически можно подключить памяти к машине, и какова разрядностьвнутренней аппаратной шины.
Но и то, и другое являются аппаратными характеристикамикомпьютера.1.2.7Многомашинные, многопроцессорные ассоциацииВ настоящее время одиночный компьютер можно сравнить с телефонным аппаратом безтелефонной сети. Т.е., говоря об ЭВМ, мы подразумеваем машину в некотором окружении ивзаимодействии с другими машинами. В зависимости от степени интегрированности машин врамках одного комплекса различают многопроцессорные ассоциации, где степень связанностимашин довольно велика, и многомашинные ассоциации, в которых наблюдаются слабые связимежду машинами (в некоторых случаях говорят о сетях ЭВМ).Начиная данную тему, мы, следуя традиционному научному подходу, сначала рассмотримклассификацию — это позволит выявить среди большого разнообразия машинных ассоциацийгруппы с идентичными свойствами, которые помогут нам познакомиться с наиболее общимиподходами, абстрагируясь от деталей реализации.Для классификации существуют множество методов, проводящих деление по различнымхарактеристикам (например, по производительности).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
