Виртуальная память
1. Для чего нужна память? Какие бывают виды памяти?
(Глава, необходимая для понятия предназначения памяти вообще)
Компактная микроэлектронная "память" широко применяется в современной аппаратуре
самого различного назначения. Но тем не менее разговор о классификации памяти,
её видах следует начать с определения места и роли, отведённой памяти в ЭВМ.
Память является одной из самых главных функциональных частей машины,
предназначенной для записи, хранения и выдачи команд и обрабатываемых данных.
Следует сказать, что команды и данные поступают в ЭВМ через устройство ввода, на
выходе которого они получают форму кодовых комбинаций 1 и 0. Основная память как
правило состоит из запоминающих устройств двух видов оперативного (ОЗУ) и
постоянного (ПЗУ).
ОЗУ предназначено для хранения переменной информации; оно допускает изменение
своего содержимого в ходе выполнения вычислительного процесса. Таким образом,
процессор берёт из ОЗУ код команды и, после обработки каких-либо данных,
результат обратно помещается в ОЗУ. Причем возможно размещение в ОЗУ новых
данных на месте прежних, которые при этом перестают существовать. В ячейках
происходит стирание старой информации и запись туда новой. Из этого видно, что
ОЗУ является очень гибкой структурой и обладает возможностью перезаписывать
информацию в свои ячейки неограниченное количество раз по ходу выполнения
программы. Поэтому ОЗУ играет значительную роль в ходе формирования виртуальных
адресов.
ПЗУ содержит такой вид информации, которая не должна изменяться в ходе
выполнения процессором программы. Такую информацию составляют стандартные
подпрограммы, табличные данные, коды физических констант и постоянных
коэффициентов. Эта информация заносится в ПЗУ предварительно, и блокируется
путем пережигания легкоплавких металлических перемычек в структуре ПЗУ. В ходе
работы процессора эта информация может только считываться. Таким образом ПЗУ
работает только в режимах хранения и считывания.
Из приведённых выше характеристик видно, что функциональные возможности ОЗУ шире
чем ПЗУ: оперативное запоминающее устройство может работать в качестве
постоянного, то есть в режиме многократного считывания однократно записанной
информации, а ПЗУ не может быть использовано в качестве ОЗУ. Это заключение, в
свою очередь, приводит к выводу, что ПЗУ не участвует в процессе формирования
виртуальной памяти. Но бесспорно, ПЗУ имеет свои достоинства, например сохранять
информацию при сбоях, отключении питания (свойство энергонезависимости). Для
обеспечения надежной работы ЭВМ при отказах питания нередко ПЗУ используется в
качестве памяти программ. В таком случае программа заранее "зашивается" в ПЗУ.
2. Микросхемы памяти.
(Где, находится информация при работе компьютера?)
Как было сказано ранее, в современных компьютерах используется так называемая
электронная память. Для построения ОЗУ, ПЗУ, регистровых ЗУ в настоящее время
широко применяют полупроводниковые интегральные микросхемы, которые
изготавливают по специальной полупроводниковой технологии с применением
интегральных схем (ИС) и больших интегральных схем (БИС) на основе кремния с
высокой степенью интеграции.
Рис.1 Рис.2
На рисунках 1 и 2 изображены микросхемы памяти как функциональных узлов: рис. 1
ОЗУ, рис. 2 ПЗУ. Основной составной частью микросхемы ОЗУ является массив
элементов памяти, объединённых в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может
хранить один бит информации. Каждый ЭП обязательно имеет свой адрес. Для
обращения к ЭП необходимо его "выбрать" с помощью кода адреса, сигналы которого
подводят к соответствующим выводам микросхемы. ПЗУ построено аналогично, а
функции ЭП в микросхемах ПЗУ выполняют перемычки в виде проводников.
Это был краткий экскурс в так называемые "ресурсы" машинной памяти, необходимый
для более глубокого понимания как функционирования компьютера, так и основной
темы проекта.
3. Виртуальная память: Что это такое? Для чего это нужно?
(Рассматривает вопрос организации ВП)
Итак, мы вплотную подошли к проблеме виртуальной памяти: что это такое и для
чего это нужно? Дело в том, что с развитием и появлением новых компьютерных
технологий, машины несомненно преобразились в лучшую сторону: в мире
профессиональных программистов уже не существует понятия "ОЗУ на ферритовых
сердечниках" или "накопителей на магнитных лентах". Что и говорить, с
изобретением персонального компьютера, даже простой непрофессиональный
пользователь получил возможность использовать ПК для собственных целей и нужд.
Фирмой Intel™ и другими производителями вычислительной техники были выпущены
компьютеры достаточно простые в обращении (по сравнению с огромными ламповыми
IBM1401 или "Унивак П"). Компьютеры нового поколения*
————
* Фирмой Texas Instruments® выпущена модель 486DX475Mhz.
имели процессоры Intel™ 80386, 80486, с 16ти и 32х разрядными шинами, огромным
быстродействием (2566Mhz). Эти персоналки большой шаг вперед в развитии
компьютерных технологий. Вместе с этим у пользователя появилась тенденция
"оседлать" быструю машину заставить её делать как можно больше. Как экономить
машинное время и в то же время производить больше? Ответ на этот вопрос был
найден посредством организации мультипрограммной работы ЭВМ. Этот метод был
признан очень удобным, так как при организации мультипрограммного цикла:
1. Машина не простаивала зря: при одновременном выполнении нескольких программ и
команд в работе процессора появлялась новая функция анализ и распределение
машинного времени, отведённого на выполнение каждой программы;
2. За каждый машинный такт (вследствие с очередностью или уровнем приоритета,
общим временем, требующимся на выполнения команды) выполнялась одна или
несколько команд.
Действительно, метод мультипрограммной работы оказался потрясающе эффективным,
но для его успешной реализации требовалось очень много оперативной памяти, так
как всякая программа, которая может быть вызвана впоследствии, оставляет
небольшую (а иногда и очень большую!) свою часть резидентной в оперативной
памяти. Возможны два варианта: сохранить большую часть ОЗУ свободной, по
надобности загружая в ОП ту или иную программу, требующую непосредственного
выполнения и, после этого, отработав с данной программой, отчистить содержимое
ОП для загрузки новой программы. Второй вариант состоит в том, чтобы сразу
загрузить в ОП Машины все требующиеся программы, таким образом заполнив её до
основания и потом дать процессору команду на выполнение. Первый вариант не
является примером мультипрограммной организации. Второй вариант является. Итак,
несомненно, второй вариант наиболее подходящий, но здесь мы сталкиваемся с
проблемой нехватки оперативной памяти. В современных компьютерах емкость ОЗУ
(аналог RAM) не превышает 1MB, 384KB из которых зарезервированы под ПЗУ, ППЗУ,
BIOS... Итого остаётся 640KB "чистой" оперативной памяти но в ней поместятся две
три программы и не более.
Хорошо видно, что внедрение более рационального решения сталкивается с
единственной проблемой памяти. Но можно ли каким-то образом решить эту проблему?
Именно на этом этапе на помощь пользователю приходит виртуальная память, которая
позволяет модифицировать ресурсы памяти, сделать объём оперативной памяти
намного больше, для того чтобы пользователь, поместив туда как можно больше
программ, реально сэкономил время и повысил эффективность своего труда.
"Открытие" виртуальной памяти (далее ВП) внесло огромную контрибуцию в развитие
современных технологий, облегчило работу как профессионального программиста, так
и обычного пользователя, обеспечивая процесс более эффективного решения задач на
ЭВМ. Возникает много вопросов: как устроена ВП, как она функционирует, каким
образом при использовании ВП ресурсы обычной физической памяти "увеличиваются"
во много раз, используются ли для этой цели какие-либо "подручные" средства
(устройства)..? Действительно, возникает множество интереснейших вопросов,
ответы на которые будут даны в следующих параграфах.
Почему виртуальная память также носит название математической, кажущейся? Как
можно реорганизовать ОЗУ таким образом, чтобы её объём удвоился, утроился?
Преимущество ВП состоит в том, что объем ОЗУ не может быть увеличено ни
практически, ни теоретически. (Это попросту невозможно ни какими средствами
нельзя оптимизировать или преобразовать ячейки памяти, для того, чтобы, скажем,
помещать туда два бита информации вместо одного). Но как же построена ВП? Дело в
том, что при работе машины, использующей виртуальную память, обязательно
используется Внешнее Запоминающее Устройство (ВЗУ), которое обычно представляет
собой накопитель на гибком магнитном диске или жестком диске типа "винчестер".
(Последнее устройство используется чаще).
Действительно, использование виртуальной памяти обязательно подразумевает
обращение к диску так как при разработке и внедрению систем с таким методом
организации памяти, было представлено, что ячейкиоперативной памяти и памяти на
диске будут представлять собой единое целое. По своей сути ВП не такая уж
сложная структура напротив, недостаток оперативной памяти компенсируется
наличием свободного дискового пространства которое задействовано в роли ОП.
Необходимо понимать, что часть программ, которые мы не смогли разместить в ОП
из-за её нехватки, (см. нач. § 3) теперь будут размещены на диске и это будет
эквивалентно размещению в оперативной памяти. Виртуальная память представляет
собой совокупность всех ячеек памяти оперативной и внешней, имеющих сквозную
нумерацию от нуля до предельного значения адреса. Использование ВЗУ очень
удобно, так как в это время пользователь оперирует с общим адресным
пространством и ему безразлично какая физическая память при этом используется
внешняя или внутренняя. При работе ВП всего лишь подразумевается различие между
виртуальными адресами и физическими. Интересно проследить за формированием
адресного пространства при использовании ВП. Как же адресное поле может быть
увеличено? Дело в том, что при работе машины с ВП, используются методы
страничной и сегментной организации памяти, смысл которых рассмотрен в следующих
параграфах.
4. Виртуальная Память при страничной организации
(Страничная организация ВП, формирование виртуальных адресов)
Как было сказано ранее, для более эффективного функционирования ЭВМ используется
динамический метод распределения памяти. Это значит, что процесс распределения
памяти осуществляется непосредственно в ходе решения задачи с учетом предыдущего
состояния машины и описания массивов данных. Например процесс компиляции с
языков высокого уровня отводит определённую область памяти под каждую
переменную, массив, структуру. В настоящее время процесс динамического
распределения памяти осуществляется методом относительной адресации (с
использованием виртуальных адресов), в виде страничной и сегментной организации
памяти.
Рассмотрим первую форму организации ВП при её страничной организации (СО). Нужно
отметить очень важный пункт, что при СО, все ресурсы памяти, как оперативной,
так и внешней представляются для пользователя единым целым. Пользователь
работает с общим адресным пространством и не задумывается какая память при этом
используется: оперативная или внешняя, а эта общая память носит название
виртуальной (моделируемой). Виртуальная память разбивается на страницы, которые
содержат определённое фиксированное количество ячеек памяти. При этом одна
страница математической памяти не может быть больше или меньше других все
страницы должны быть одинаковы по количеству ячеек. Типичные размеры страниц
256, 512, 1024, 2048 Байт и более (числа кратные 256).
Рис.3
Так называемая физическая память, которая включает в себя ОЗУ и ВЗУ так же
разбивается на страницы объем которых должен соответствовать размерам ВП, иначе,
из-за неправильности размеров, ячейки физической памяти не будут совпадать с
ячейками ВП, что приведёт к путанице и "зависанию" системы. На рисунке 3
изображен способ формирования страниц ВП из физической памяти. Ячейки ОЗУ
разбиваются на страницы одинакового объема (например 1024 Байт), каждая из
которых может содержать какую-либо информацию. В ВЗУ, представленным накопителем
типа "винчестер", процессор резервирует определённые сектора с которыми
впоследствии будет работать ВП. Всё это складывается вместе и представляет собой
единую структуру ВП.
При работе пользователя, одна из его программ может находится в ОП (реально в
микросхеме на рис. 3), а другая в ВЗУ (на диске). При этом совершенно не
заметно, что пользователь работает с математическими адресами, поэтому в
процессе операций процессор может обращаться только к ОП (или СОП
Сверхоперативная память) в случае выполнения первой программы, или к диску, если
выполняется вторая программа. Но при работе второй программы, операционная
система должна организовать перепись той страницы, где находится вторая
программа, в Оперативную Память.
Пользователь не задумывается над этим, но в этот момент страница ВП с диска, как
бы накладывается на свободную* страницу ОП. Таким образом, при выполнении даже
одной программы, различные части этой программы могут находится в ОП (СОП) или
на магнитных носителях, а одни и те же ячейки общей физической памяти могут
называться различными адресами.
Адресная часть команды в пользовательских программах должна содержать адрес
математической страницы и адрес слова, которое должно находится в этой странице
(искомое слово). При распределении памяти между различными частями программы,
процессор берёт на себя функции преобразования адреса, находящегося в
математической странице, в адрес физической страницы. По этому адресу
располагается требуемое слово, которое может хранится как в ОП, так и во внешней
памяти. Совокупность адреса физической страницы и адреса слова внутри этой
страницы образует физический адрес операнда.
Соответствие между номерами физических и математических страниц устанавливается
специальной программой операционной системы, которая носит название менеджер
(диспетчер) памяти. Как правило эта программа является резидентной и управляет
всеми ресурсами машинной памяти. Для 286х процессоров используют менеджер
himem.sys, а для 386х и 486х машин emm386.sys и qemm.sys С помощью таких
программ формируется так называемая страничная таблица, которая помещается в
сверхоперативную память, обладающую наибольшим быстродействием. Эта таблица
является неотъемлемой частью организации ВП с СО, так как в ней содержится вся
информация о страницах, на данный момент находящихся в памяти. В страничной
таблице находятся адреса программ, уровень их приоритета и т. д. Содержание
страничной таблицы будет подробно описано ниже.
Рассмотрим пример преобразования виртуальных адресов в физические. Пусть
виртуальная память содержит 8 страниц по 2048 Байт в каждой странице. Для
компактности примера, предположим, что физическая память имеет ёмкость 4
страницы (по 2 Кб соответственно). При обращении к физической памяти для
проведения каких
14ти битовый виртуальный адрес
3х битовый 11ти битовый адрес в пределах выбранной ВС
номер ВС
Рис.4
—————
* Эта страница необязательно может быть свободной. Подробности о
стратегиях замены (своппирования) страниц см. в § 8
либо операций (записи или выборки операндов, выполнения команды или
осуществления передачи управления), программой формируется 14ти битовый адрес,
соответствующий виртуальному адресу, который определяет ячейки в промежутке от 0
до 16 Кб 1. В данном примере 14ти битовый адрес как бы разбивается на 3х битовый
номер виртуальной страницы и 11ти битовый внутри той страницы, номер которой
определён тем самым 3х битовым номером. Пример кода адреса при страничной
организации памяти показан на рисунке 4. А связь между номерами страниц и самими
виртуальными адресами показана на рисунке 5. Итак, рассмотрим рисунок 4: 3х
битовый номер виртуальной страницы 110 (в binформате) соответствует номерам 6 и
6h (dec и hexформаты) необходимо помнить, что все операции в машине производятся
в шестнадцатеричном формате. Таким образом, выбирается страница с номером 6 и
внутренним адресом 00101001110B (14Eh). Значит по рисунку 5, этот физический
адрес будет соответствовать виртуальному адресу 12288...
Страница Виртуальные адреса
Рис.5
Это значит, что шестая страница виртуальной памяти начинается с адреса 12288 и
заканчивается по адресу 14335. Общий объем виртуальной страницы составляет 2048
Байт (2 Кб).
Для определения физического адреса пользовательской программы, резидентный
диспетчер памяти под управлением операционной системы должен установить
местонахождение виртуальной страницы. Физическая страница памяти, которая
соответствует виртуальной, может находится в оперативной памяти, но может также
быть и на диске. Как было сказано ранее, для того чтобы установить соответствие
между виртуальной и физической страницами, ОС обращается к страничной таблице,
каждая из строк которой содержит по одной записи для каждой из восьми
виртуальных страниц. Как же организованна эта страничная таблица? Запись в
строке содержит три поля Первое однобитовое поле по сути является флагом в этой
ячейке может находится либо включенный, либо выключенный бит (1 или 0), что
указывает на конкретное местонахождение страницы: если в этом поле содержится
код нуля это подсказывает процессору, что необходимую страницу нужно искать во
внешней памяти, если значение бита в данном поле равно 1, то искомая страница
уже находится в оперативной памяти. Таким образом, все функции единственного
бита в этом поле принимать значения True или False. Второе поле содержит адрес
внешней памяти. Этот адрес станет необходим если искомой страницы нет в
оперативной памяти, а она находится в ВЗУ и её надо переписать в ОЗУ для работы
с программой, находящейся в этой странице. По этому адресу машина обращается к
виртуальной странице, хранящейся на диске и копирует её содержимое в ОЗУ. Важное
замечание заключается в том, что если в первом однобитовом поле флаг находится в
состоянии 1, то второе поле автоматически игнорируется, потому что искомая
страница уже "сидит" в ОП и нет никакой необходимости "MOV CX, ADDRESS"
(засылать в регистр CX адрес внешней ВС для его обработки). После того как
машина отработает с данной страницей ВП и надобность в ней исчезнет (возможно на
какое-то время), эта страница обратно переносится на диск, освобождая место для
другой страницы которая нужна машине в данный момент для продолжения работы.
Наконец третье поле, функциональная нагрузка которого указывать номер страницы
оперативной памяти, в которой находится необходимая информация. Если нужной
страницы нет в ОП, а она находится на диске (бит первого поля выключен), то
третье поле игнорируется. На рисунке 6 изображена схема Страничной организации
виртуальной памяти.
Рис.6 Страничная организация Виртуальной Памяти.
Итак, при распределении памяти в машине, супервизор формирует страничную
таблицу. Входом в эту таблицу является номер математической страницы, в которой
находится нужная ячейка памяти. Если адресная страница находится в ОП, то
формирование адреса происходит следующим образом: двух битовый номер страницы
заносится в два левых разряда адресного регистра оперативной памяти, а адрес
внутри виртуальной страницы (11 бит исходного адреса) переписывается в 11 правых
разрядов адресного регистра. Это очень хорошо показано на правой части рисунка.
Pµ регистр математического адреса, Pф регистр физического адреса, p номер
математической страницы, l смещение. Таким образом, lсмещение переписывается из
регистра математического адреса в регистр физического без изменений. По номеру p
из страничной таблицы извлекается номер физической страницы и, если эта страница
уже находится в ОП, то её номер записывается в регистр физического адреса, если
же искомая страница находится в ВЗУ, то она сначала переписывается в ОП. Для
этого используется или свободная страница ОП, или какая-либо страница ОП
освобождается: информация из этой страницы снова переносится во внешнюю память
(но ни в коем случае не стирается!). После этого страничная таблица обновляется
в неё заносятся сведения о новых страницах (той которая на данный момент
находится в ОЗУ и той которая переместилась во внешнюю память). Страничная
таблица является таким видом информации которая очень часто обновляется. Она
постоянно "дышит". Каждый раз когда у пользователя возникает потребность в новой
информации (в частности в новой странице памяти), привходит процесс
свопирования, то есть перемены местами страниц ОП и ВЗУ (англ. swap менять
местами). При этом в страничную таблицу заносится наиболее свежая информация о
том в какую страницу виртуальной памяти была помещена страница, только что
удалённая из ОП, содержится ли в этой странице нужное на следующем этапе слово и
т. д. У страничной таблицы множество работы.
Как было отмечено, для наиболее эффективного функционирования машины необходимы
большая ёмкость ОЗУ и быстродействие. Как известно, обычная оперативная память
(RAM) не является максимально быстродействующей. Это значит, что если бы
страничная таблица находилась в такой памяти, то пользователь сталкивался бы с
реальной потерей времени, так как процессор довольно часто обращается к СТ.
Выход из этой неудобной ситуации был найден при помещении страничной таблицы в
сверхоперативную память, которая обладает наибольшим быстродействием, хотя и во
много раз меньше по объему чем RAM. Но этого объёма вполне хватает процессору и
он получает возможность работать с большей производительностью, так как при
каждом перераспределении памяти между пользовательскими программами
осуществляется изменение данных, содержащихся в страничной таблице.
При страничной организации памяти очень важным является алгоритм своппирования
страниц. Действительно, процессор должен "подумать" какую страницу стоит в
первую очередь удалить из ОП, дабы на освободившееся место переписать из внешней
памяти необходимую в данный момент страницу... Этот вопрос будет подробно
рассмотрен в § 8.
5. Преимущества и недостатки ВП со страничной организацией.
(Анализ и оценка эффективности СО при рассмотрении преимуществ и недостатков)
Несомненно, применение виртуальной памяти в современных машинах это важнейшее
достижение как в компьютерной технологии, так и в максимизации удобств
создаваемых для пользователя. Но, как известно, каждая система имеет свои
преимущества и недостатки. Предлагаю проанализировать суть применения ВП; её
слабости и критерии эффективности, её плюсы и минусы.
Во-первых одним из преимуществ ВП с СО является достаточно большой объём прямо
адресуемой памяти. Действительно объем памяти может исчисляться сотнями мегабайт
(и даже гигабайтами). Размер виртуальной памяти целиком зависит от объёма
накопителя на [жестком] магнитном диске. Созданный SWAPфайл размещается на диске
и эмулирует оперативную память. При этом пользователь не задумывается о том куда
будет помещен "кусок" его программы с которой он только что отработал. Таким
образом, ещё одним преимуществом ВП с СО является то, что программы пользователя
могут размещаться в любых свободных страницах. И наконец, одним из важнейших
преимуществ ВП с СО (то, ради чего, собственно и была изобретена виртуальная
память) повышение уровня мультипрограммной работы. Как было сказано выше, эта
цель была одной из самых главных. С организацией ВП с СО пользователь получил
реальную возможность загружать в память большее количество программ для того
чтобы машина обрабатывала программы сразу (в действительности процессор
устанавливает приоритет для каждой программы, находящейся в памяти, и далее в
соответствии с приоритетом выделяет определённое количество времени на
реализацию каждой программы или команды). Сам процессор постоянно "занят" каждый
машинный такт выполняет определённую программу. Метод организации виртуальной
памяти со страничной организацией значительно повысил эффективность работы с
машиной.
У каждого гениального изобретения к сожалению есть свои недостатки. Таковые есть
и у ВП с СО. Попытаемся проанализировать их. Основным недостатком виртуальной
памяти пожалуй является то количество времени, которое машина тратит на
обращение к внешней памяти. Извлечь необходимую информацию из ячеек оперативной
памяти не представляет особого труда и больших затрат времени. Совсем иначе
обстоит дело с диском: для того чтобы найти необходимую информацию, нужно
сначала "раскрутить" диск, потом найти необходимую дорожку, в дорожке найти
сектор, кластер, далее считать побитовую информацию в ОП. Все это требует
времени и, порой если при методе случайного удаления страниц*, процессору
понадобятся сразу несколько страниц, хранящихся во внешней памяти, большого
времени. К сожалению, этот недостаток принадлежит к виду "неисправимых". И если
другие недостатки, рассмотренные ниже ущё можно каким-то образом устранить
(например путем расширения технических средств и т. д.), то данный недостаток не
может быть устранён никоим образом, так как понятие виртуальной памяти
ассоциируется с применением внешней памяти (магнитного диска).
Следующий недостаток скорее относится к вопросу о технической характеристике
компьютера: наличие сверхоперативной памяти (СОП). Как было сказано выше, СОП,
как правило, имеет не
—————
* Методы своппирования страниц рассмотрены в § 8. большую ёмкость и достаточно
высокое быстродействие. СОП используется для хранения управляющей информации,
служебных кодов, а также информации к которой осуществляется наиболее частое
обращение в процессе выполнения программы. Этот недостаток в работе с ВП к
счастью можно ликвидировать. Что касается технической характеристики есть ли в
микросхемах оперативной памяти дополнительные интегральные схемы, которые
являются запоминающими устройствами СОП? Если есть, то проблема с СОП решена, а
если нет..? Тогда, благодаря достижениям в области компьютерной технологии,
могут использоваться драйверы, резервирующие маленькую область ОП для
имитирования СОП. Итак, что касается этого недостатка, то, мне кажется, что он
не настолько серьёзен, чтобы о нём беспокоится. И, наконец третьим недостатком
является внутренняя фрагментация страниц.
6. Сегментно-страничная организация виртуальной памяти
(Структура, функционирование, отличия от ВП с СО, преимущества и недостатки)
При использовании метода сегментно-страничной организации ВП, пользовательские
программы разбиваются на отдельные массивы. Эти массивы независимые участки
называются сегментами. Сегмент представляет собой единый логический объект,
содержащий какую-либо процедуру, массив или набор данных. Как правило
информация, содержащаяся в сегменте, однородная, то есть в одном сегменте могут
находится только служебные коды программы, другой может являться сегментом
стека, третий содержать коды связи с объектными (.obj) файлами и т. д.
Каждый сегмент представляет собой последовательность адресов от нуля до
определённого максимального значения. Отличие сегмента от страницы состоит в
том, что длинна сегмента может изменяться в процессе работы.
Сегменты, как и любая структура виртуальной памяти, могут размещаться как в ОП,
так и во внешней памяти (магнитных носителях). ВП с ССО функционирует подобно ВП
с СО: если требующийся на данный момент сегмент отсутствует в оперативной
памяти, то при надобности работы с ним, он предварительно перемещается в ОП.
Сегментно-страничная организация памяти требует более сложной
аппаратурно-программной организации. Рассмотрим как же осуществляется обращение
к ВП посредством ССО. По самому названию "сегментно-страничный" нетрудно
догадаться, что при таком методе используется как сегментная, так и страничная
таблицы. Это очень похоже на сложно структурированный метод "процедуры в
процедуре" во многих алгоритмических языках. На рисунке 7 подробно показан
способ организации ВП с ССО. Адрес ячейки в данном случае складывается из 3х
частей: первая содержит номер самого сегмента (Segment), по этому номеру машина
обращается к сегментной таблице. Вторая часть адреса содержит номер искомой
страницы (page), которая находится внутри выбранного сегмента и третья смещение
(length), по которому находится требуемый адрес. Pµ, обведенное в двойную рамку
показывает математический адрес, а Pф физический. Как и при СО, смещение l
переписывается в ячейку физического адреса без изменений.
Вверху рисунка, аббревиатурой N обозначен номер какой-нибудь программы
пользователя. А0 с индексом 1 обозначает конкретный начальный адрес сегментной
таблицы для данной программы. Сначала берется этот адрес и номер сегмента S из
регистра математического адреса. Оба этих адреса складываются в сумматоре,
который изображен в виде обведенного плюса. Получившийся адрес А1 + S является
входом в сегментную таблицу (изображен в первой колонке сегментной таблицы).
Далее, благодаря этому адресу, отыскивается соответствующий адрес страничной
таблицы (А0 с индек
сом 2), который в свою очередь суммируется с номером искомой страницы p в
сумматоре. Результирующая сумма есть вход в страничную таблицу. Структура
страничной таблицы нам уже знакома: благодаря получившемуся адресу, находится
соответствующий адрес физической страницы, процессор определяет местонахождение
этой страницы (включенный бит страница находится в ОП, выключенный во внешней
памяти).
Рис. 7 Сегментно-страничная организация ВП.
Итак, краткое описание функционирования ВП с ССО: с помощью начального адреса
сегментной таблицы и номера сегмента из регистра математического адреса (S)
образуется адрес вход в сегментную таблицу в которой находится начальный адрес
страничной таблицы. К этому адресу в свою очередь прибавляется номер страницы из
РМА. Эта сумма служит входом в страничную таблицу, в которой затем отыскивается
адрес искомой физической страницы и, в соответствии с уровнем доступности,
процессор либо начинает работать с этой страницей, либо вырабатывает
аппаратурное прерывание и подключает супервизора, который затем организует ее
перепись в ОП. Если вся ОП будет занята, то супервизор, в соответствии с
принятым методом (см. § 8), своппирует какую-нибудь страницу.
7. Виртуальная память в современных компьютерах
(ВП в современных машинах, отличия, преимущества...)
Как было сказано выше, с развитием компьютерных технологий стали появляться
новые перспективы использования персональных компьютеров. В § 3 упоминается о
компьютере Intel™ 486DX4 с тактовой частотой 75Mhz, произведенным фирмой Texas
Instruments. Несомненно, возможности этого компьютера огромны. Он комплектуется
огромным жестким диском (1.2GB) и имеет 32MB оперативной памяти. Предположим,
что эта машина будет использоваться для разработки космического корабля, робота
хирурга или в области кибернетики. Для этих целей необходимо использовать
"серьёзное" программное обеспечение (скажем, производимое фирмой Silicon
Graphics®), требующее огромного количества оперативной памяти. В такой ситуации
даже 32MB может не хватать. В таких ситуациях по-прежнему проявляется тенденция
к использованию ВП. Виртуальная память применяется во многих программах,
операционных оболочках, коммуникационном программном обеспечении. В следующих
пунктах приведены примеры использования виртуальной памяти в современных
компьютерах с различными программами.
Использование ВП в Microsoft® Windows™ 3.1*
Microsoft Windows 3.1 является наиболее популярной операционной оболочкой как
среди любителей, так и среди профессиональных пользователей. Windows
обеспечивает независимый запуск и выполнение сразу нескольких программ.
Большинство других оболочек и операционных систем рассчитаны на выполнение в
данный момент только одной программы. В рамках Windows можно запустить сразу
несколько программ. Для этих целей используется ВП. 1. RAM диск (виртуальный,
псевдо, электронный диск) Разновидность виртуальной памяти. Супервизор
резервирует для него область EMS или XMS памяти и, таким образом устанавливает
диск в памяти. Он работает быстрее, чем реальный физический диск, но при
выключении питания его содержимое теряется. Он весьма удобен для хранения
промежуточной информации в течение одного сеанса работы. Но RAM диск не является
прямым аналогом ВП.
2. Использование SWAPфайла виртуальной памяти.
Виртуальная память в оболочке Windows 3.1 используется только в расширенном
(extended) режиме. Каковы характеристики компьютера, работающего с Windows в
расширенном режиме? Он должен иметь 386ой процессор и минимум 2 мегабайта
памяти. Итак виртуальная память в Windows представляет собой механизм,
обеспечивающий расширение адресного пространства за счет дискового прост
—————
* Рассмотрены компьютеры фирм IBM (PS/2, Pentium™, OverDrive™)
AcerPower™, NEC, American Megatrends, Zeos™, Tandy™, HP Vectra™, Toshiba, Dell,
Packard Bell и другие машины укомплектованные процессорами Intel™ и Cyrix™.
Машины ЕС, из-за недостатка ОЗУ не работают в Windows и в данном примере не
рассмотрены. ранства. Реальные ограничения на объем такой виртуализированной
оперативной памяти отсутствуют. В физической оперативной памяти в каждый момент
представлена некоторая часть полного виртуального пространства, остальная же
часть которого расположена на диске По мере необходимости, например если
пользователю понадобился следующий фрагмент его программы, который в данный
момент находится на диске, а реальная оперативная память "загружена до
основания", процессор может своппировать страницу оперативной памяти со
страницей на диске. (от англ. swap менять местами). Таким образом, попросту
будет осуществлена перестановка страниц, и та страница с которой только что
работали "отправляется" на диск. В Windows 3.1 возможно несколько вариантов
реализации ВП. На рисунке 8 показано использование двух видов ВП в Windows:
разносекторного (temporary) и перманентного (permanent) swapфайлов
Рис.8 Разносекторное и перманентное применение ВП
Разносекторный (временной) swapфайл
Разносекторный swapфайл состоит из множества независимых секторов, которые
разбросаны по всему диску. Каждый раз когда операционной среде Windows
необходимо подгрузить в память какую-либо страницу, она должна обратится к
разносекторному swapфайлу. Но неудобство применения такой разновидности ВП
заключается в том, что в конце каждой части этого целого свопфайла стоит
пересылка на другой сектор диска. И пользователь сталкивается с реальной потерей
времени при работе с таким видом свопфайлов, так как процессору необходимо
"представить" в памяти целостную картину данного файла дабы извлечь из него
нужную информацию. Для этого машина собирает последовательность из этих кусочков
и затем анализирует представленный в памяти файл.
Если пользователь выбирает такой вид реализации ВП, то Windows автоматически
создаёт разносекторный swapфайл в директории Windows. Обычно этот файл носит
название WIN386.SWP. Неудобство такого метода ещё заключается в том, что
разносекторный файл (по другому называемый временным) хранит информацию только в
продолжении сеанса работы оболочки, а по завершении его автоматически удаляется.
Вот как может быть представлена программа, написанная на Паскале в виде
разносекторных файлов:
~pas0c4e.tmp первая страница начинается по адресу 0C4A;
~pas1158.tmp вторая находится в секторе с номером 1158;
~pas1b5a.tmp и третья расположена в секторе 1B5A.
В конце каждого .tmpфайла указанна ссылка на другой такой же.
Перманентный (постоянный) swapфайл
Вторая разновидность свопфайлов носит название перманентных Такой файл занимает
значительную часть диска, специально зарезервированную для этих целей. Размер
перманентного файла определяется наличием системных ресурсов, отведенных для
работы с Windows (размером ОП, свободным местом на жестком диске и даже временем
доступа к винчестеру). Перманентный файл работает гораздо быстрее чем
разносекторный, так как Windows знает настоящее местонахождение этого файла и
нет необходимости собирать его из частей. Обычно этот файл носит имя
386SPART.PAR или SPART.PAR Безусловно, если пользователь имеет большой жесткий
диск и мало ОП, то использование перманентного свопфайла более эффективно.
Перманентный файл эмулирует реальную оперативную память и, поэтому не стирается
при выходе из Windows.
Анализ и оценка применения разных типов ВП в Windows.
Каждая из разновидностей ВП в Windows имеет свои преимущества и недостатки.
Временная ВП занимает место на винчестере только при необходимости, но для того
чтобы выделить или освободить такое место нужно каждый раз тратить время.
Суммарное быстродействие такой памяти ниже, чем у постоянной ВП. Что касается
постоянной ВП, то она быстрее временной, но она также занимает достаточно
большое пространство на винчестере, даже если пользователь не обращается к своим
программам и приложениям и вообще не работает в Windows. Но в целом, виртуальная
память играет значительную роль в применении Windows. Как было сказано ранее,
адресное пространство расширяется за счет объединения ячеек реальной ОП с
ячейками на магнитном диске и при этом размер физической памяти становится
значительно большим. Это немаловажно, так как Windows очень популярная
операционная среда, доступная как профессионалу, так и простому пользователю.
Размер машинного времени "уделяемого" Windows достаточно велик. Вследствие этого
различными фирмами (Microsoft®, Borland International, Lotus Development и т.
д.) было написано много программного обеспечения специально для среды Windows.
Так же было разработано множество профессиональных пакетов, ориентированных на
математику, статистику, программирование, бухгалтерию и т. д. Вот здесь и
нашлось место для применения виртуальной памяти. Благодаря возможности работы в
мультипрограммном режиме, огромные массивы информации постоянно находятся в
движении. Пользователь может запустить на выполнение сразу несколько программ,
(каждая из которых требует памяти). Применение ВП значительно увеличивает объем
физической памяти и позволяет работать эффективнее.
8. Способы замены (свопирования) страниц
(Механизмы обмена страниц)
Как было упомянуто выше, использование ВП подразумевает применение магнитного
диска на котором хранятся те страницы или сегменты, которые на данный момент не
нужны в оперативной памяти. Метод применения ВП довольно прост: те страницы с
которыми пользователь работает в данный момент находятся в памяти машины и к ним
осуществляется непосредственный доступ. Через определённое время процессору,
отработавшему с данной страницей, требуется другая страница, которая
подгружается в память с диска. Страница, с которой только что отработали
"вытесняется" на диск, а ни в коем случае не уничтожается.
Довольно часто случается так, что вся реальная память, разбитая на страницы
полностью занята. И при необходимости подгрузить новую страницу, супервизор
должен установить какую страницу перенести да диск, чтобы освободить место для
требующейся. Это достаточно сложная задача, так как удалённая страница может
понадобиться на следующем этапе, а это может привести к потере времени. Для
своппирования страниц в разных программах используются различные стратегии,
примеры которых приведены ниже:
1.Случайное удаление страниц...
Случайное удаление не является самым эффективным способом, так как оно не может
дать стопроцентной гарантии, что только что удалённая страница не понадобится на
следующем этапе работы. Случайное удаление осуществляется с помощью функции
случайных чисел. Супервизор попросту берет начальный адрес случайной страницы в
оперативной памяти и переписывает его в swapфайл (на диск). При этом
корректируется страничная (сегментная) таблица.
2. Удаление по времени пребывания в ОП...
Механизм этой стратегии можно представить как "первым вошел, первым вышел". Это
значит, что страница, дольше всех находящаяся в оперативной памяти на данном
этапе будет удалена первой. Этот метод также не универсален так как каждой
странице отведено определенное время на функционирование, и основное неудобство
заключается в том, что необходимо вести механизм учёта за длительностью
пребывания страниц в ОП, что также связанно с усложнением структуры и потерей
времени.
3. Удаление в связи с давностью использования...
На мой взгляд, этот метод является наиболее удачным. Механизм его таков: если
страница дольше всех находится в ОП, значит пользователь в течение долго времени
не нуждался в ней, а значит появляется вероятность, что эта страница не
понадобится и на следующем этапе.
4. Удаление по вероятности использования...
Вероятность использования страницы N очень небольшая, а вероятность
использования страницы M высока. В этом случае, страница N будет удалена из
памяти. Этот способ также не представляется мне достаточно эффективным, так как
здесь всё основано на вероятности. Но, каждый раз когда мы подбрасываем монету,
неизвестно какой стороной она упадёт. Так же и здесь нет никакой гарантии, что
эта страница не понадобится на следующем этапе.
5. Удаление по приоритетам...
Этот способ пожалуй является достаточно эффективным, так как страницы удаляются
по приоритетам. Каждая страница имеет свой приоритет, который устанавливается
супервизором в соответствии с "важностью" программы, находящейся в определённой
станице. Предположим что в странице N находятся коды важной пользовательской
подпрограммы, а в странице M текстовый файл, работа с которым не является столь
важной. Тогда N получает приоритет 1, а M, предположим, 9. Заметим, что
необходимые, часто требующиеся страницы имеют приоритеты 13, менее необходимые
46, и практически ненужные 59. Это значит, что когда в следующий раз супервизору
понадобится удалить из ОП страницу, он начнет со страниц, имеющих самый низкий
уровень приоритета (9).
9. Анализ и оценка виртуальной памяти. Показатели эффективности.
(При СО и ССО)
Эффективное решение задач на ЭВМ определяется не только емкостью и
быстродействием запоминающих устройств, наличием мощного процессора с большой
тактовой частотой, но и организацией и распределением памяти. Современные
компьютеры обладают средствами и техническими характеристиками для организации
виртуальной памяти. Применение виртуальной памяти получило широкое применение
как среди пользователей любителей, так и среди профессионалов. Основная функция
ВП расширение адресного пространства. ВП создаётся для увеличения функциональных
возможностей компьютера, повышения уровней мультипрограммной работы. Объединив,
ячейки реальной оперативной памяти с ячейками на быстродействующих магнитных
носителях, (чаще всего для этих целей используются винчестеры. Применение НГМД
не было бы столь эффективно, а применение НМД или НМБ понесло бы невосполнимые
потери), пользователь имеет возможность значительно расширить память и при этом
не думать о том в "какой" памяти хранится его программа. ВП была создана для
облегчения работы пользователей при размещении программ.
Благодаря ВП появилась возможность для более эффективного применения
программмультитаскеров (multitasker) специальных пакетов, позволяющих повысить
уровень мультипрограммной работы. (Программы, которые распределяют время
процессора и память так, что например связываться по модему, печатать на
принтере и обрабатывать текст можно одновременно). В настоящее время, благодаря
применению ВП, усилилась тенденция к использованию DeskView
менеджерамультитаскера (производства фирмы QuatterDeck).
Сравнивая реальную оперативную память с виртуальной, можно отметить, что объем
РП ограничен, то есть в каждой микросхеме фиксированное число ячеек. Что
касается ВП, то она может иметь достаточно большой объем, ограниченный только
местом на диске (возможностью адресации). Объем ВП может достигать нескольких
десятков и сотен мегабайт. РП имеет линейную структуру (адресация в порядке
возрастания). ВП использует сквозную адресацию.
В целом, применение виртуальной памяти является весомым вкладом в
прогрессировании современных компьютерных технологий и большим шагом в развитии
программирования, открывающим профессиональному программисту путь к созданию
мощных мультизадачных систем и комплексов. Применение виртуальной памяти широко
оценивается специалистами в компьютерной медицине, научной кибернетике,
профессиональном программировании.