Основи технології віртуальної пам'яті

Спочатку розглянемо передумови введення концепції віртуальної пам'яті. Наве­демо найпростіший з можливих способів спільного використання фізичної па­м'яті кількома процесами (рис.1).

Рис. 1. Спільне використання фізичної пам'яті процесами

За цієї ситуації кожний процес завантажують у свою власну неперервну ді­лянку фізичної пам'яті, ділянка наступного процесу починається відразу після ділянки попереднього. На рис. 1 праворуч позначені адреси фізичної пам'яті, починаючи з яких завантажуються процеси.

Якщо проаналізувати особливості розподілу пам'яті на основі цього підходу, можуть виникнути такі запитання.

- Як виконувати процеси, котрим потрібно більше фізичної пам'яті, ніж вста­новлено на комп'ютері?

- Що відбудеться, коли процес виконає операцію записування за невірною ад­ресою (наприклад, процес Р2 - за адресою 0x7500)?

- Що робити, коли процесу (наприклад, процесу Р1) буде потрібна додаткова

пам'ять під час його виконання?

- Коли процес отримає інформацію про конкретну адресу фізичної пам'яті що з неї розпочнеться його виконання, і як мають бути перетворені адреси пам'яті, використані в його коді?

- Що робити, коли процесу не потрібна вся пам'ять, виділена для нього?

Пряме завантаження процесів у фізичну пам'ять не дає змоги дати відповіді на ці запитання. Очевидно, що потрібні деякі засоби трансляції пам'яті, які дава­ли б змогу процесам використовувати набори адрес, котрі відрізняються від адрес фізичної пам'яті. Перш ніж розібратися в особливостях цих адрес, коротко зупи­нимося на особливостях компонування і завантаження програм.

Програма зазвичай перебуває на диску у вигляді двійкового виконуваного файла, отриманого після компіляції та компонування. Для свого виконання вона має бути завантажена у пам'ять (адресний простір процесу). Сучасні архітектури дають змогу процесам розташовуватися у будь-якому місці фізичної пам'яті, при цьому одна й та сама програма може відповідати різним процесам, завантаженим у різні ділянки пам'яті. Заздалегідь невідомо, в яку ділянку пам'яті буде заванта­жена програма.

Під час виконання процес звертається до різних адрес, зокрема в разі виклику функції використовують її адресу (це адреса коду), а звертання до глобальної змінної відбувається за адресою пам'яті, призначеною для зберігання значення цієї змінної (це адреса даних).

Програміст у своїй програмі звичайно не використовує адреси пам'яті безпо­середньо, замість них вживаються символічні імена (функцій, глобальних змін­них тощо). Внаслідок компіляції та компонування ці імена прив'язують до перемі­щуваних адрес (такі адреси задають у відносних одиницях, наприклад «100 байт від початку модуля»). Під час виконання програми переміщувані адреси, своєю чергою, прив'язують до абсолютних адрес у пам'яті. По суті, кожна прив'язка — це відображення одного набору адрес на інший.

До адрес, використовуваних у програмах, ставляться такі вимоги.

- Захист пам'яті. Помилки в адресації, що трапляються в коді процесу, повинні впливати тільки на виконання цього процесу. Коли процес Р2 зробить опера­цію записування за адресою 0x7500, то він і має бути перерваний за помил­кою. Стратегія захисту пам'яті зводиться до того, що для кожного процесу зберігається діапазон коректних адрес, і кожна операція доступу до пам'яті перевіряється на приналежність адреси цьому діапазону.

- Відсутність прив'язання до адрес фізичної пам'яті. Процес має можливості ви­конуватися незалежно від його місця в пам'яті та від розміру фізичної пам'яті. Адресний простір процесу виділяється як великий статичний набір адрес, при цьому кожна адреса такого набору є переміщуваною. Процесор і апаратне за­безпечення повинні мати змогу перетворювати такі адреси у фізичні адреси основної пам'яті (при цьому та сама переміщувана адреса в різний час або для різних процесів може відповідати різним фізичним адресам).

Поняття віртуальної пам'яті

Віртуальна пам'ять - це технологія, в якій вводиться рівень додаткових пере­творень між адресами пам'яті, використовуваних процесом, і адресами фізичної пам'яті комп'ютера. Такі перетворення мають забезпечувати захист пам'яті та від­сутність прив'язання процесу до адрес фізичної пам'яті.

Завдяки віртуальній пам'яті фізична пам'ять адресного простору процесу мо­же бути фрагментованою, оскільки основний обсяг пам'яті, яку займає процес, більшу частину часу залишається вільним. Є так зване правило «дев'яносто до Десяти», або правило локалізації, яке стверджує, що 90 % звертань до пам'яті У процесі припадає на 10 % його адресного простору. Адреси можна переміщати так, щоб основній пам'яті відповідали тільки ті розділи адресного простору про­цесу, які справді використовуються у конкретний момент.

При цьому невикористовувані розділи адресного простору можна ставити у від­повідність повільнішій пам'яті, наприклад простору на жорсткому диску, а в цей час інші процеси можуть використовувати основну пам'ять, у яку раніше відобра­жалися адреси цих розділів. Коли ж розділ знадобиться, його дані завантажують

з диска в основну пам'ять, можливо, замість розділів, які стали непотрібними в конкретний момент (і які, своєю чергою, тепер збережуться на диску). Дані мо­жуть зчитуватися з диска в основну пам'ять під час звертання до них.

У такий спосіб можна значно збільшити розмір адресного простору процесу і забезпечити виконання процесів, що за розміром перевищують основну пам'ять.

2. Проблеми реалізації віртуальної пам'яті. Фрагментація пам'яті

Основна проблема, що виникає у разі використання віртуальної пам'яті, стосу­ється ефективності її реалізації. Оскільки перетворення адрес необхідно робити під час кожного звертання до пам'яті, недбала реалізація цього перетворення мо­же призвести до найгірших наслідків для продуктивності всієї системи. Якщо для більшості звертань до пам'яті система буде змушена насправді звертатися до дис­ка (який у десятки тисяч разів повільніший, ніж основна пам'ять), працювати із такою системою стане практично неможливо.

Ще однією проблемою є фрагментація пам'яті, що виникає за ситуації, коли неможливо використати вільну пам'ять. Розрізняють зовнішню і внутрішню фраг­ментацію пам'яті (рис. 2).

Основна пам'ять

Зовнішня зводиться до того, що внаслідок виділення і наступного звільнення пам'яті в ній утворюються вільні блоки малого розміру - діри (holes). Через це може виникнути ситуація, за якої неможливо виділити неперервний блок пам'яті розміру N, оскільки немає жодного неперервного вільного блоку, розмір якого S>N, хоча загалом обсяг вільного простору пам'яті перевищує N. Так, на рис. 8.2 для виконання процесу Р5 місця через зовнішню фрагментацію не вистачає.

Внутрішня фрагментація зводиться до того, що за запитом виділяють блоки пам'яті більшого розміру, ніж насправді будуть використовуватися, у результаті всередині виділених блоків залишаються невикористовувані ділянки, які вже не можуть бути призначені для чогось іншого.

Логічна і фізична адресація пам'яті

Найважливішими поняттями концепції віртуальної пам'яті є логічна і фізична адресація пам'яті.

Логічна або віртуальна адреса - адреса, яку генерує програма, запущена на деякому процесорі. Адреси, що використовують інструкції конкретного процесора, є логічними адресами. Сукупність логічних адрес становить логічний адресний простір.

Фізична адреса — адреса, якою оперує мікросхема пам'яті. Прикладна програ­ма в сучасних комп'ютерах ніколи не має справи з фізичними адресами. Спеці­альний апаратний пристрій MMU (memory management unit - пристрій керуван­ня пам'яттю) відповідає за перетворення логічних адрес у фізичні. Сукупність усіх доступних фізичних адрес становить фізичний адресний простір. Отже, як­що в комп'ютері є мікросхеми на 128 Мбайт пам'яті, то саме такий обсяг пам'яті адресують фізично. Логічно зазвичай адресують значно більше пам'яті.

Найпростіша схема перетворення адрес зображена на рис..3.

Рис. 3. Перетворення логічних адрес пам'яті у фізичні адреси

Специфіку перетворення логічних адрес у фізичні визначають різні підходи до керування оперативною пам'яттю, вивчення яких буде основною темою цього розділу.

Підхід базового і межового регістрів

Під час реалізації віртуальної пам'яті необхідно забезпечити захист пам'яті, пере­міщення процесів у пам'яті та спільне використання пам'яті кількома процесами.

Одним із найпростіших способів задовольнити ці вимоги є підхід базового і межового регістрів. Для кожного процесу в двох регістрах процесора зберігають Два значення — базової адреси (base) і межі (bounds). Кожний доступ до логічної адреси апаратно перетворюється у фізичну адресу шляхом додавання логічної ад­реси до базової. Якщо отримувана фізична адреса не потрапляє в діапазон (base, base+bounds), вважають, що адреса невірна, і генерують помилку (рис. 4).

Такий підхід є найпростішим прикладом реалізації динамічного переміщення процесів у пам'яті. Усі інші підходи, які буде розглянуто в цьому розділі, є різни-^ми варіантами розвитку цієї базової схеми. Наприклад, те, що кожний процес У разі використання цього підходу має свої власні значення базового і межового

регістрів, є найпростішою реалізацією концепції адресного простору процесу, яка грунтується на тому, що кожний процес має власне відображення пам'яті.

Для організації захисту пам'яті в цій ситуації необхідно, щоб застосування ко­ристувача не могли змінювати значення базового і межового регістрів. Достатньо інструкції такої зміни зробити доступними тільки у привілейованому режимі про­цесора.

До переваг цього підходу належать простота, скромні вимоги до апаратного забезпечення (потрібні тільки два регістри), висока ефективність. Однак сьогодні його практично не використовують через низку недоліків, пов'язаних насамперед з тим, що адресний простір процесу все одно відображається на один неперерв­ний блок фізичної пам'яті: незрозуміло, як динамічно розширювати адресний простір процесу; різні процеси не можуть спільно використовувати пам'ять; не­має розподілу коду і даних.

Рис. 4. Використання базового і межового регістрів

За такого підходу для процесу виділяють тільки одну пару значень «базова адре­са-межа». Природним розвитком цієї ідеї стало відображення адресного простору процесу за допомогою кількох діапазонів фізичної пам'яті, кожен з яких задають власною парою значень базової адреси і межі. Так виникла концепція сегмента­ції пам'яті.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: