2011. Машбук (1114722), страница 19

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

Текст из файла (страница 19)

Этоозначает, что имеется регистр, который ссылается на вершину стека, и есть некоторыймеханизм, который поддерживает работу со стеком. Использование системного стекаможет частично решать проблему минимизации накладных расходов при сменеобрабатываемой программы. В частности, этот механизм может использоваться приобработке прерывания: если в системе возникает прерывание, процессор просто сохраняетв стеке содержимое необходимых регистров («малое упрятывание»). Если же возникнетвторое прерывание, то процессор поверх предыдущих данных скинет в стек новоесодержимое регистров, чтобы обработать вновь пришедшее прерывание.Регистровый буфер (специальныерегистры или КЭШ L1)Вершина стекаSP (указатель стека)Оперативная памятьКоманды работы со стеком:PUSH — добавить новыйэлемент.POP — изъять элемент извершины стекаОснование стекаРис.

54. Системный стек.Но у данного подхода есть и недостаток. Поскольку стек располагается воперативной памяти, то при каждой обработке прерывания процессору придетсяобращаться к оперативной памяти, что сильно снижает производительность системы причастых возникновениях прерываний. Решений может быть несколько (Рис.

54). Вопервых, в процессоре могут использоваться специальные регистры, исполняющие рольбуфера, аккумулирующего вершину стека непосредственно в процессоре. Во-вторых,работу со стеком можно организовать посредством буферизации в КЭШе первогоуровня (L1), но при кэшировании стека мы добавляем ещё один поток информации.651.2.6.5 Способы решения проблем мультипрограммного режима: виртуальнаяпамятьПерейдём теперь к проблеме организации, использования и управленияоперативной памятью. Рассмотренные выше проблемы перемещаемости программы поОЗУ и фрагментации памяти связаны с необходимостью наличия т.н. аппаратавиртуальной памяти, т.е. аппаратного средства процессора, которое обеспечиваетпреобразование (установление соответствия) логических адресов, используемых внутрипрограммы, в те адреса физической оперативной памяти, в которой размещаетсяпрограмма во время выполнения.Что понимается под виртуальной памятью и виртуальным адреснымпространством? Неформально виртуальное адресное пространство можно определитькак то адресное пространство, которое используется внутри программ (написанных,например, на языках программирования высокого уровня).

Ведь когда программист пишетпрограмму, оперируя теми или иными адресами, он зачастую не задумывается, к какимфизическим адресам эти адреса будут привязаны. В исполняемом модуле используетсят.н. программная (логическая, виртуальная) адресация. Виртуальные адреса существуют«вне машины». Соответственно, стоит проблема установления соответствия междупрограммной адресацией и физической памятью. И эта проблема решается за счетаппарата виртуальной памяти.Реализацией одной из моделей аппарата виртуальной памяти является аппаратбазирования адресов. Механизм базирования адресов основан на двоякой интерпретации(Рис.

55) получаемых в ходе выполнения программы исполнительных адресов (Aисп.прог.).С одной стороны, его можно интерпретировать как абсолютный исполнительный адрес,когда физический адрес в некотором смысле соответствует исполнительному адресупрограммы (Aисп.физ.= Aисп.прог.). Например, требуется «прочитать ячейку с адресом(абсолютным адресом) 0», или «передать управление по адресу входа в обработчикпрерывания». С другой стороны, исполнительный адрес программы можнопроинтерпретировать как относительный адрес, т.е.

адрес, зависящий от местадислокации программы в ОЗУ (адрес относительно точки загрузки программы). Инымисловами, имеется оперативная память с ячейками с номерами от 0 до некоторого L–1, и,начиная с некоторого адреса K, расположена программа. Тогда адрес Aисп.прог. внутрипрограммы можно трактовать, как отступ от физической ячейки с адресом K на величинуAисп.прог.. Для реализации модели базирования используется специальный регистр базы, вкоторый в момент загрузки процесса в оперативную память операционная системазаписывает начальный адрес загрузки (т.е.

K). Тогда реальный физический адресполучается, исходя из формулы Aисп.физ.= Aисп.прог.+<Rбазы>.Рис. 55. Базирование адресов – решение проблемы перемещаемости программы поОЗУ.Таким образом, базирование адресов – это средство отображения виртуальногоадресного пространства программы в физическую память «один в один». Аппаратбазирования позволяет разрешить проблему перемещаемости программ по ОЗУ,поскольку процесс можно загрузить в любую область памяти. Но при этом необходимопомнить, что программа представляется в виде непрерывной области виртуальной памяти,которая загружается в непрерывный фрагмент физической памяти.

Поэтому для решения66проблемы фрагментации аппарата базирования недостаточно, и используются болееразвитые механизмы организации ОЗУ и виртуальной памяти.Развитием аппарата виртуальной памяти является аппарат страничнойорганизации памяти. Ниже мы рассмотрим модельный сильно упрощенный примерстраничной памяти (наша цель – рассмотрение основных концепций). Данная модельпредставляет все адресное пространство оперативной памяти в виде последовательностиблоков фиксированного размера, называемых страницами.

Страница — это областьадресного пространства фиксированного размера: обычно размер страницы кратенстепени двойки – будем считать, что размер страницы 2k. Тогда структура адресапредставима в виде двух полей (Рис. 56): правые k разрядов представляют адрес внутристраницы, а оставшиеся разряды отвечают за номер страницы. Тогда количествовиртуальных страниц в системе ограничено разрядностью поля «Номер виртуальнойстраницы» в адресе.Итак, виртуальное адресное пространство — это множество виртуальныхстраниц, доступных для использования в программе. Физическое адресноепространство — это оперативная память, подключенная к данному компьютеру.Физическая память может иметь произвольный размер по отношению к размерувиртуальной памяти (число физических страниц может быть меньше, больше или равночислу виртуальных страниц).0ая страницаСтруктура адреса:k k-1ая1 страница…Номер страницы0Номер в страницеКоличество страницограничено размеромполя «Номер страницы»Рис. 56.

Страничная организация памяти.В центральном процессоре имеется аппаратная (регистровая) таблица, называемаятаблицей страниц, предназначенная для организации отображения между виртуальнымии физическими адресами при страничной организации памяти. Количество строк в этойтаблице определяется максимальным числом виртуальных страниц, которое зависит отсхем работы процессора и максимальной адресной разрядности процессора. Каждойвиртуальной странице исполняемой программы ставится в соответствие строка таблицыстраниц с тем же номером (нулевой странице соответствует нулевая строка и т.п.). Внутрикаждой записи таблицы страниц находится номер физической страницы, в которойразмещается соответствующая виртуальная страница программы. Соответственно,аппарат виртуальной страничной памяти позволяет автоматически (т.е.

аппаратно)преобразовывать номер виртуальной страницы в номер физической страницыпосредством обращения к таблице страниц (Рис. 57). Программных действий при такомподходе требуется минимально: при выборе операционной системой очередного процесса,который ставится на обработку на центральный процессор, она должна лишь корректнозаполнить аппаратную таблицу страниц процессора для данного процесса.67Рис.

57. Страничная организация памяти. Преобразование виртуального адреса вфизический.Типовая схема преобразования адресов достаточно проста (Рис. 58). Пусть втаблице страниц имеется N строк. Это означает, что в компьютере дозволеноиспользовать N страниц. Содержимое каждой i-ой строки таблицы — αi – определяетсяоперационной системой в момент запуска процесса. Пусть в нашем модельном примереесли αi >= 0, то это номер физической страницы, которая соответствует i-ой виртуальнойстранице. Если αi < 0, то это означает, что данной страницы у программы нет, и если входе обработки процесса процессор обращается к строке таблицы страниц сотрицательным содержимым, происходит прерывание по защите памяти, и управлениеполучает ОС.

Причин возникновения прерывания в данном случае может две. Во-первых,может оказаться, что действительно i-ой виртуальной страницы у программы нет, чтосвидетельствует об ошибке в программе. Во-вторых, может оказаться, чтосоответствующей страницы нет в оперативной памяти – она расположена на внешнемзапоминающем устройстве (ВЗУ), т.е. данная i-ая виртуальная страница легальна, но вданный момент ее нет в ОЗУ.

Так или иначе, операционная система анализирует причинувозникновения прерывания и для последнего случая осуществляет подкачку из ВЗУ в ОЗУтребуемой страницы. Таким образом, замечательным свойством страничной организациипамяти является то, что при такой организации не обязательно загружать всю программу воперативную память. При смене задачи система должна сначала скопировать содержимоетаблицы страниц в свою программную таблицу, а после этого восстановить содержимоетаблицы страниц той программы, которая будет исполняться следующей.Отметим, что страничная организация памяти решает все вышеперечисленныепроблемы, связанные с выполнением программ.

Здесь имеется механизм защиты памяти(в этой схеме процесс никогда не сможет обратиться к «чужой» странице), но такжеимеется возможность разделять некоторые страницы между несколькими процессами (вэтом случае операционная система каждому из процессов допишет в таблицу страницномер общей страницы). Данная схема обладает достаточной производительностью,поскольку ее функционирование основано на использовании регистров. Основнымдостоинством данного подхода является решение проблемы фрагментации, поскольку всепрограммы оперируют в терминах страниц (каждая из которых имеет фиксированныйразмер), и мы можем размещать программу по страницам в произвольном порядке.Помимо этого решается еще и проблема перемещаемости программ по ОЗУ, причем дажев рамках одной программы соответствие между виртуальными и физическими страницамиможет оказаться произвольным: нулевая виртуальная страница программы можетрасполагаться в одной физической странице, первая виртуальная — в другой (совершенноне связанной с первой) физической странице, и т.д.

Еще одним важным достоинствомстраничной организации памяти заключается в том, что нет необходимости держать воперативной памяти весь исполняемый процесс. Это свойство позволяет существенноповысить эффективность использования ОП. Реально в ОЗУ может находиться лишьнезначительное число страниц, в которых расположены команды и требуемые длятекущих вычислений операнды, а все оставшиеся страницы могут находиться на внешнейпамяти — в областях подкачки.

Характеристики

Список файлов лекций