Преобразование виртуальных адресов в физические

Задачей операционной системы является отображение индивидуальных виртуальных АП всех одновременно выполняющихся процессов на общую физическую память. При этом ОС отображает либо все виртуальное АП, либо только определенную его часть. Данная процедура должна быть максимально прозрачна для пользователя и программиста.

1) Замена виртуальных адресов на физические выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память. Специальная системная программа — перемещающий загрузчик — на основании имеющихся у нее исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, а также информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых элементах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

* Перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти. Данный способ более экономичен, т.к. преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки.

2) Программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, то есть операнды инструкций и адреса переходов имеют те значения, которые выработал транслятор. В наиболее простом случае, когда виртуальная и физическая память процесса представляют собой единые непрерывные области адресов, операционная система выполняет преобразование виртуальных адресов в физические по следующей схеме. При загрузке операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального АП. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический.

* Данный способ более гибок: данный способ позволяет перемещать программный код процесса в течение всего периода его выполнения. Этот способ менее экономичен: преобразование каждого виртуального адреса происходит при каждом обращении по данному адресу.

* В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться программа, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Максимально возможное виртуальное АП процесса – это максимальный размер виртуального АП, определяемом архитектурой компьютера, на котором работает ОС. Это значение представляет собой только потенциально возможный размер виртуального АП, который редко на практике бывает необходим процессу. Процесс использует только часть доступного ему виртуального АП.

* Ограничивается только разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в компьютере.

Назначенное (выделенное) процессу виртуальное АП представляет собой набор виртуальных адресов, действительно нужных процессу для работы. Эти адреса первоначально назначает программе транслятор на основании текста программы, когда создает кодовый (текстовый) сегмент, а также сегмент или сегменты данных, с которыми программа работает. Затем при создании процесса ОС фиксирует назначенное виртуальное АП в своих системных таблицах. В ходе своего выполнения процесс может увеличить размер первоначального назначенного ему виртуального АП, запросив у ОС создания дополнительных сегментов или увеличения размера существующих. Операционная система обычно следит за корректностью использования процессом виртуальных адресов — процессу не разрешается оперировать с виртуальным адресом, выходящим за пределы назначенных ему сегментов.

В случае, когда объем виртуального АП превышает доступный объем оперативной памяти, операционная система для хранения данных виртуального АП процесса, не помещающихся в оперативную память, использует внешнюю память, которая в современных компьютерах представлена жесткими дисками. Именно на этом принципе основана виртуальная память — наиболее совершенный механизм, используемый в операционных системах для управления памятью.

Виртуальное АП и виртуальная память — это различные механизмы и они не обязательно реализуются в операционной системе одновременно.

*Поддержка виртуальных АП для процессов при отсутствии механизма виртуальной памяти возможна только в том случае, если размер виртуального АП каждого процесса меньше объема физической памяти.

Образ процесса — это содержимое назначенного процессу виртуального АП, то есть коды команд, исходные и промежуточные данные и результаты вычислений.

Во время работы процесса постоянно выполняются переходы от прикладных кодов к кодам ОС, которые либо явно вызываются из прикладных процессов как системные функции, либо вызываются как реакция на внешние события или на исключительные ситуации, возникающие при некорректном поведении прикладных кодов. Для того чтобы упростить передачу управления от прикладного кода к коду ОС, а также для легкого доступа модулей ОС к прикладным данным (например, для вывода их на внешнее устройство), в большинстве ОС ее сегменты разделяют виртуальное АП с прикладными сегментами активного процесса. То есть сегменты ОС и сегменты активного процесса образуют единое виртуальное АП.

Обычно виртуальное АП процесса делится на две непрерывные части: системную и пользовательскую. Часть виртуального адресного пространства каждого процесса, отводимая под сегменты ОС, является идентичной для всех процессов. Поэтому при смене активного процесса заменяется только вторая часть виртуального адресного пространства, содержащая его индивидуальные сегменты, как правило, — коды и данные прикладной программы.

Описанное выше назначение двух частей виртуального адресного пространства — для сегментов ОС и для сегментов прикладной программы — является типичным, но не абсолютным. Имеются и исключения из общего правила. В некоторых ОС существуют системные процессы, порожденные для решения внутренних задач ОС. В этих процессах отсутствуют сегменты прикладной программы, по они могут расположить некоторые свои сегменты (сегменты ОС) в общей части виртуального адресного пространства, а некоторые — в индивидуальной части, обычно предназначенной для прикладных сегментов. И наоборот, в общей, системной части виртуального адресного пространства размещаются сегменты прикладного кода, предназначенные для совместного использования несколькими прикладными процессами.

Механизм страничной памяти в большинстве универсальных операционных систем применяется ко всем сегментам пользовательской части виртуального адресного пространства процесса.

Системная часть виртуальной памяти в ОС любого типа включает область, подвергаемую страничному вытеснению (paged), и область, на которую страничное вытеснение не распространяется (non-paged). В не вытесняемой области размещаются модули ОС, требующие быстрой реакции и/или постоянного присутствия в памяти, например диспетчер потоков или код, который управляет заменой страниц памяти. Остальные модули ОС подвергаются страничному вытеснению, как и пользовательские сегменты.

Дата добавления: 2015-06-25