Размещение памяти с перемещаемыми разделами.

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших либо в сторону младших адресов так, чтобы все свободные участки памяти составляли единую область (см. рис.8.8). В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей.

Такая процедура называется сжатием и выполняется ОС в дополнение к функциям, которые ОС выполняет при распределении ОП переменными разделами.

Рис. 8.8. Распределение памяти перемещаемыми разделами.

Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором - реже выполняется процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом.

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что может свести на нет преимущества данного метода.

Организация виртуальной памяти.

Виртуальная память возникла как средство решения проблемы размещения в ОП программ, размер которых значительно превышает имеющуюся в наличии свободную память.

Виртуальным называют такой ресурс, который для пользователя представляется обладающим теми свойствами, которыми он в действительности не обладает.

Пользователь пишет программы так, как будто в его распоряжении имеется однородная ОП большого объема, но в действительности все данные, используемые программой, хранятся на нескольких разнородных ЗУ, обычно в ОП и на дисках, и при необходимости частями перемещаются между ними.

Т.о., виртуальная память (ВП) – это совокупность программно-

аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер которых превосходит имеющуюся ОП.

Для этого ВП решает след. задачи:

¨ размещает данные в ЗУ разного типа, например, часть программы в ОП, а часть на диске;

¨ перемещает данные по мере необходимости между ЗУ разного типа, например, подгружает нужную часть программы с диска в ОП;

¨ преобразует виртуальные адреса в физические.

Все эти действия выполняются без участия программиста. Можно еще сказать, что механизм ВП является «прозрачным» по отношению к пользователю. Наиболее распространенными реализациями ВП являются страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.

Страничное распределение.

Рис. 8.9. Страничное распределение памяти

Виртуальное адресное пространство каждого процесса (пр.1 и пр.2, см. рис. 8.9) делится на части фиксированного размера, называемые виртуальными страницами. Размер виртуального адресного пространства в общем случае не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью. Вся ОП ЭВМ делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками).

Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки, т.к. это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

Часть виртуальных страниц процесса при его загрузке помещается в ОП, а часть на жесткий диск. ОС при загрузке процессора формирует для него отдельную информационную структуру – таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие виртуальных страниц с определенными номерами (N в.с.) физическим страницам с определенными номерами (N ф.с.). Также в таблице страниц содержится управляющая информация (УИ): признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета обращений к странице за определенный период времени), а также некоторые другие данные создаваемые и используемые механизмом ВП.

При активизации очередного процесса в регистр адреса таблицы страниц считывается адрес таблицы страниц этого процесса.

При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в ОП, выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная ВС отгружена на диск, то генерируется т.н. случай страничного прерывания. Процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс, из очереди готовых. Параллельно с этим программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую страницу и попытается загрузить ее в ОП. Если в памяти имеется свободная ФС, то соответствующая ВС подгружается в ОП, если же свободных страниц нет, то реализуется процедура выталкивания из ОП какой-нибудь страницы. Критерии выбора выталкиваемой ВС могут быть следующими:

¨ дольше всего не использовавшаяся страница;

¨ первая попавшаяся (случайная) страница;

¨ страница, к которой было меньше всего обращений.

После того, как выбрана страница, которая должна быть удалена из ОП, анализируется ее признак модификации. Если выталкиваемая страница с момента загрузки процесса была модифицирована, то ее модификация должна быть переписана на диск, если же нет, то соответствующая физическая страница делается свободной, а виртуальная страница просто уничтожается.

В некоторых системах используется механизм рабочего множества страниц для каждого процесса. Это рабочее множество – перечень наиболее часто используемых страниц, которые постоянно находятся в ОП и выгрузка которых запрещена.

Рассмотрим механизм преобразования виртуального адреса в физический при страничной организации памяти (см. рис. 8.10).

Рис. 8.10. Механизм преобразования виртуального адреса

При каждом обращении к ОП аппаратными средствами выполняются следующие действия.

1. На основании начального адреса таблицы страниц (содержимого регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы и длины записи в таблице страниц определяется нужный адрес записи в таблице страниц.

2. Из этой записи извлекается номер физической страницы;

3. К номеру физической страницы присоединяется смещение, т.е. младшие разряды ВА (путем конкатенации).

Применении операции конкатенации вместо более длительных операций сложения уменьшает время получения физического адреса, а значит и повышает производительность компьютера.

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический. Чем возникает страничное прерывание, тем больше времени тратится на перемещение страниц. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, нужно увеличить размер страницы. Увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит, и уменьшает затраты памяти. Но, с другой стороны, чем больше размер виртуальной страницы, тем больше памяти занимает фиктивная область в конце последней виртуальной страницы каждой программы.

Время преобразования ВА в ФА в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. Поэтому таблицу страниц, как правило, размещают в «быстрых» ЗУ. Это может быть набор специальных регистров или буферная память, использующая ассоциативный поиск и кэширование данных.

Сегментное распределение.

При страничной организации памяти ВА – пространство процесса делится на механически равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свойство часто бывает полезным. Например, можно запретить обращаться с операцией записи и чтения в сегмент кода программы, а для сегмента данных разрешить только чтение. Кроме того, разбиение программы на сегменты, а не на страницы делает возможным разделение одного сегмента несколькими процессами.

Рассмотрим, каким образом сегментное распределение памяти реализует эти возможности (рис. 8.11.). Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельным сегментом м.б. подпрограммы, массив данных и др. Иногда сегментация программы может выполняться по умолчанию компилятором.

При загрузке процесса одни сегменты записываются в ОП, другие остаются на диске. Сегменты одной программы могут занимать несмежные участки ОП. Во время загрузки ОС создает для процесса таблицу сегментов (аналогичную таблице страниц), в которой для любого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в ОП, размер, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если ВАП нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок ОП, в который этот сегмент загружается в единственном экземпляре.

Рис.8.11. Распределение памяти сегментами

Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией.

При каждом обращении к ОП из таблицы сегментов считывается информация о сегменте, к которому производится обращение.

Если сегмент находится в ОП, то осуществляется преобразование виртуального адреса в физический. Если же сегмент находится на диске, то возникает случай страничного прерывания; процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс. Аналогичным образом при необходимости освобождения ОП некоторые сегменты выгружаются. Вместе с тем, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.

Виртуальный при сегментной организации представлен парой чисел (g, s), где первое – номер сегмента, второе – смещение внутри сегмента.

ФА получается путем сложения начального ФА сегмента, найденного в таблице сегментов по номеру g, и смещения s. Операция сложения является более медленной, что в целом оказывает отрицательное влияние на быстродействие машины. Еще одним недостатком сегментной организации также является фрагментация на уровне сегментов.