Страничное распределение памяти

На рис. 5.7 показана схема страничного распределения памяти. Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью.

Рис. 5.7. Страничное распределение памяти

Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками). Чтобы упростить механизм преобразования адресов, размер страницы обычно выбирается равным 2ⁿ: 512, 1024 и т. д.

При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные – на диск. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. Копия всего виртуального адресного пространства процесса находится на диске.

Для каждого процесса операционная система создает таблицу страниц – информационную структуру, содержащую записи обо всех виртуальных страницах процесса.

Запись таблицы, называемая дескриптором страницы, включает следующую информацию:

- номер физической страницы, в которую загружена данная виртуальная страница;

- признак присутствия, устанавливаемый в единицу, если виртуальная страница находится в оперативной памяти;

- признак модификации страницы, который устанавливается в единицу всякий раз, когда производится запись по адресу, относящемуся к данной странице;

- признак обращения к странице, называемый также битом доступа, который устанавливается в единицу при каждом обращении по адресу, относящемуся к данной странице.

- признак запрета выгрузки страницы.

При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного 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 оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.

В данной ситуации могут быть использованы разные критерии выбора, из которых наиболее популярные следующие:

- дольше всего не использовавшаяся страница;

- первая попавшаяся страница;

- страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений.

В некоторых системах используется понятие рабочего множества страниц. Рабочее множество определяется для каждого процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому не подлежат выгрузке.

После того, как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации (из таблицы страниц). Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, то есть соответствующая физическая страница объявляется свободной.

Рассмотрим механизм преобразования виртуального адреса в физический при страничной организации памяти. Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары (p, s), где p – номер виртуальной страницы процесса (нумерация страниц начинается с 0), а s – смещение в пределах виртуальной страницы (рис. 5.8).

Учитывая, что размер страницы равен 2^k, смещение s может быть получено простым отделением k младших разрядов в двоичной записи виртуального адреса. Оставшиеся старшие разряды представляют собой двоичную запись номера страницы p (при этом неважно, является страница виртуальной или физической).

Рис. 5.8. Структура виртуального адреса страницы

Например, размер страницы 1 кбайт = 2¹⁰ байт, следовательно k=10. Из двоичной записи адреса 5071₈ = 101 000 111 001₂ можно определить, что он принадлежит второй странице, номер которой в двоичном выражении равен 10₂ и смещен относительно ее начала на 1 000 111 001₂ байт (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Двоичное представление адресов

При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия (рис. 5.10).

1. На основании начального адреса таблицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса) и длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице.

2. Из этой записи извлекается номер n физической страницы.

3. К номеру физической страницы присоединяется смещение s (младшие разряды виртуального адреса).

Рис. 5.10. Преобразование виртуального адреса в физический

при страничной организации памяти

Типичная машинная инструкция требует 3-4 обращений к памяти (выборка команды, извлечение операндов, запись результата). И при каждом обращении происходит либо преобразование виртуального адреса в физический, либо обработка страничного прерывания. Время выполнения этих операций в значительной степени влияет на общую производительность вычислительной системы, поэтому разработчики уделяют большое внимание оптимизации виртуальной памяти.

Именно для уменьшения времени преобразования адресов во всех процессорах предусмотрен аппаратный механизм получения физического адреса по виртуальному. С этой же целью размер страницы выбирается равным степени двойки, благодаря чему двоичная запись адреса легко разделяется на номер страницы и смещение. В результате в процедуре преобразования адресов более длительная операция сложения заменяется операцией присоединения (конкатенации). Используются и другие способы ускорения преобразования, такие, например, как кэширование таблицы страниц – хранение наиболее активно используемых записей в быстродействующих запоминающих устройствах, в частности в регистрах процессора.

Использование в пункте 3 того факта, что размер страницы равен 2^k, позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо более длительной операции сложения, что уменьшает время получения физического адреса, а значит повышает производительность компьютера.

Время преобразования виртуального адреса в физический в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в "быстрых" запоминающих устройствах. Это может быть, например, набор специальных регистров или память, использующая для уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование данных.

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний и размер таблицы страниц, следовало бы увеличить размер страницы. Однако, если страница велика, то велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждой программы. Поэтому на практике соблюдается разумный баланс.