Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
Очевидно, что невозможно создать полностью машинно-независимый компонент управления виртуальной памятью. С другой стороны, имеются существенные части программного обеспечения, связанного с управлением виртуальной памятью, для которых детали аппаратной реализации совершенно не важны. Одним из достижений современных ОС является грамотное и эффективное разделение средств управления виртуальной памятью на аппаратно-независимую и аппаратно-зависимую части. Коротко рассмотрим, что и каким образом входит в аппаратно-зависимую часть подсистемы управления виртуальной памятью. Компоненты аппаратно-независимой подсистемы рассмотрены в следующей главе.
Итак, мы имеем большое (для 32-разрядных архитектур это обычно 2**32 = 4 Гб) виртуальное адресное пространство и физическое пространство существенно меньшего размера. Пользовательский процесс или ОС должны иметь возможность осуществить запись по виртуальному адресу, а задача ОС сделать так, чтобы записанная информация оказалась в физической памяти (впоследствии при нехватке оперативной памяти она может быть вытеснена во внешнюю память).
Таким образом, важный компонент менеджера виртуальной памяти система или функция отображения (трансляции) адресов. Механизм преобразования виртуальных адресов в физические должен предусматривать ведение таблиц, показывающих, какие области виртуальной памяти в текущий момент находятся в физической памяти и где именно размещаются. Если бы такое отображение осуществлять побайтно, то информация об отображении была бы велика, и для ее хранения потребовалось бы больше реальной памяти, чем для процессов. Необходим способ, позволяющий существенно сократить объем информации отображения. Поэтому обычно отображаемая информация группируется в блоки (программа занимает целое количество блоков памяти).
Страничная память
В наиболее простом и наиболее часто используемом случае страничной виртуальной памяти виртуальная память и физическая представляются состоящими из наборов блоков или страниц одинакового размера. Виртуальные адреса делятся на страницы (page), соответствующие единицы в физической памяти образуют страничные кадры (page frames), а в целом система поддержки страничной виртуальной памяти называется пейджингом (paging). Передача информации между памятью и диском всегда осуществляется целыми страницами. Страницы, в отличие от сегментов, имеют фиксированную длину, обычно являющуюся степенью числа 2, и не могут перекрываться.
Виртуальный адрес в страничной системе упорядоченная пара (p,d), где p - номер страницы в виртуальной памяти, а d - смещение в рамках страницы p, где размещается адресуемый элемент. Процесс может выполняться, если его текущая страница находится в оперативной памяти. Если текущей страницы в главной памяти нет, она должна быть переписана (подкачана) из внешней памяти. Поступившая страница может быть размещена в любой свободный страничный кадр. Система отображения виртуальных адресов в физические сводится к системе отображения виртуальных страниц в физические и представляет собой таблицу страниц.
Для преобразования адресного пространства каждого процесса используется одна или несколько таблиц страниц, которые обычно хранятся в оперативной памяти. Для ссылки на таблицу страниц используется специальный регистр процессора. Особенности хранения таблицы страниц описаны ниже. Интерпретация виртуального (логического) адреса показана на рис. 9.1
Рис. 9.1 Связь логического и физического адресов при страничной организации памяти.
Динамическое преобразование адресов в системе осуществляется следующим образом. Выполняемый процесс обращается по виртуальному адресу v = (p,d). Механизм отображения ищет номер страницы p в таблице отображения и определяет, что эта страница находится в страничном кадре p', формируя реальный адрес из p' и d.
Например, в машинной инструкции move reg,0, адрес 0 находится на первой виртуальной странице, которая может быть локализована, во втором страничном кадре. В реальных системах функция отображения хранит бит присутствия страницы в физической памяти. При отсутствии страницы в памяти возникает исключительная ситуация, называемая страничное нарушение (page fault). Обработка страничного нарушения приводит к тому, затребованная страница подкачивается из конкретного места вторичной памяти в свободный страничный кадр физической памяти и продолжается прерванный код. При отсутствии свободных страничных кадров на диск выгружается мало используемая страница.
Номер страницы, как индекс хранится в таблице страниц (page table), которая адресуется при помощи специального регистра процессора, и позволяет определить номер кадра по виртуальному адресу. Помимо этой основной задачи при помощи атрибутов, записанных в строке таблицы страниц, можно организовать контроль доступа к конкретной странице и ее защиту.
Используя схему пэйджинга, мы не имеем внешней фрагментации. Однако сталкиваемся с внутренней фрагментацией: адресное пространство процесса занимает целое число страниц, и в среднем половина страницы на процесс пропадает.
Важный аспект - различие точек зрения пользователя и системы на используемую память. С точки зрения пользователя его память - единое непрерывное пространство, содержащее, только одну программу. Реальное отображение скрыто от пользователя и контролируется ОС. Заметим, что процессу пользователя недоступна чужая память. Он не имеет возможности адресовать память за пределами своей таблицы страниц, которая включает только его собственные страницы.
Для управления физической памятью ОС поддерживает структуру таблицы кадров. Она имеет одну запись на каждый физический кадр, показывающий его состояние.
Отображение должно происходить корректно даже в сложных случаях. ОС поддерживает одну или несколько (при наличии нескольких сегментов памяти) таблиц страниц для каждого процесса, для ссылки, на которую, как уже говорилось, обычно используется специальный регистр. При переключении процессов диспетчер должен найти его таблицу страниц, указатель на которую, таким образом, входит в контекст процесса.
В большинстве современных компьютеров со страничной организацией виртуальной памяти все таблицы страниц хранятся в основной памяти, а быстрота доступа к элементам таблицы текущей виртуальной памяти достигается, как будет показано ниже, за счет наличия сверхбыстродействующей буферной памяти (кэша).