Организация адресного пространства внешней памяти. Виртуальная организация памяти

Память третьего уровня - внешняя память - строится на основе различного рода ВЗУ: НМД, НМЛ, НОД (CD–ROM и др.). При этом накопители один от другого отличаются номерами (адресами):

ВЗУ0, ВЗУ1,..., ВЗУ(N-1).

Информационное пространство каждого ВЗУ_i адресуется обычно с точностью до блока информации фиксированной ёмкости (в РС, например, типичный размер блока (сектора) 2⁹=512В). Номер блока обычно указывают напрямую, т.е. используется прямая адресация. Информационная ёмкость накопителя оценивается количеством блоков, умноженным на ёмкость блока. При обращении к накопителю адресуются блоки (секторы). Доступ к байтам становится возможным только после ввода блока в ОП.

Таким образом, формат адреса при обращении к ВП:

	1 № ВЗУ n 1 № блока k

Здесь: 2ⁿ – количество регистров в контроллере ВЗУ, 2^k – количество блоков на носителе информации ВЗУ.

Почему же ёмкость ВП практически не ограничена? За счёт съёмных носителей информации. Их идентификацией (т.е. адресацией) ведает человек. На техническом уровне для ВЗУ один съёмный носитель от другого неотличим.

ВЗУ как ПУ подключаются к ЭВМ не напрямую, а через специальные устройства управления – т.н. контроллеры ПУ (рисунок 2.23).

По шине адреса номер ВЗУ передаётся в контроллер ВЗУ (т.е. выбирается один из контроллеров), а по ШД - номер ВЗУ и номер блока (сектора) на носителе информации, по ШУ – направление обмен – ввод или вывод. После этого производится поиск адресуемого блока на носителе и запускается алгоритм обмена информацией между ОП и ВЗУ. Этот алгоритм реализуется КПУ, механизмом ВЗУ и последовательностью команд, которые поступают от ЦП. Обычно эти программы порождаются программами ввода-вывода, которые являются программами ОС, а не программами пользователя. Эти специальные программы ввода-вывода инициализируются из программ пользователя, когда в них дело доходит до операторов ‘ввод’ или ‘вывод’. В этот момент их выполнение прерывается и управление передается ОС, а именно, специальным программам ввода-вывода ОС - т.н. супервизору (монитору) ввода-вывода. Он собирает необходимую информацию об обмене из соответствующих таблиц ОС и каталогов и вызывает программу-драйвер. Под управлением драйвера и осуществляется обмен между ОП и ВП.

Следует отметить, что программирование (организация) обмена информацией между ОП и ВП требует от исполнителя высокой квалификации. В противном случае обмен организуется неоптимальным образом, что приводит к значительным потерям времени на ‘свопинг’. Свопинг - это взаимный обмен информацией между ОП и ВП: прежде чем в ОП ввести новую информацию, необходимо освободить часть ОП путём переписи старой информации во ВП. В этой ситуации актуальной является задача автоматизации обмена (свопинга). Такого рода автоматизация обычно осуществляется на базе т.н. виртуальной организации памяти ЭВМ.

Идея (концепция) виртуальной (кажущейся) памяти заключается в следующем: ОП и ВП в функциональном (логическом) отношении (т.е. с точки зрения пользователя) рассматривается как одноуровневая память с прямым (произвольным) доступом (как бы одноуровневая память): ОП и ВП - единое адресное пространство. Для адресации такой памяти используются адреса 0,1,...,Е_оп-1,Е_оп,Е_оп+1,...,Е-1, где Е=Е_оп+Е_вп.

Например, в ПЭВМ типа IBM PС шина адреса ША содержит 32 разряда, т.е. Е_оп=4ГВ (2³²В). Размер же виртуального адресного пространства - 2⁴⁶В=64ТВ (32+14=46).

Для адресации виртуальной памяти ипользуются длинные (m=46, например) виртуальные адреса. При этом разрешено считать, что информация, которая хранится во ВП, также доступна ЦП, как и информация, которая хранится в ОП. Считать-то можно, но как обеспечить это технически? Для этого в ЭВМ встраиваются специальные программные и технические средства, которые и обеспечивают автоматический свопинг. Эти средства должны обеспечить выполнение двух действий:

1) преобразование виртуальных адресов в физические, т. е. либо в адреса ячеек ОП, либо, если это ВП, в адреса ВЗУ и номера блоков на носителе информации, по которым и производится обращение к памяти;

2) если адресуемая информация в момент обращения находится не в ОП, а во ВП, то передачу её (вместе с блоком информации) из ВП в ОП на заранее освобожденное место (свопинг).

Технически наиболее просто указанные действия реализуются при страничной организации памяти. В этом случае для адресации ячеек виртуальной памяти используются длинные виртуальные адреса ВА следующего формата:

,

где m=k+n - длина ВА, Р - номер виртуальной страницы, D - номер ячейки в странице. Физический адрес имеет аналогичную структуру:

,

только старшие разряды - поле S - указывают адрес (номер) физической страницы. Понятие ‘ виртуальная страница’ связывается с той информацией, которая хранится в этой странице, а не с местом её хранения. А вот понятие ‘ физическая страница’ связано с местом хранения виртуальной страницы с номером Р. Таким образом, виртуальные страницы подвижны, а физические - неподвижны. Это означает, что одна и та же виртуальная страница в разные моменты времени может находиться в различных физических страницах памяти: то в ОП, то в ВП, то опять в ОП. Т.е. информация в процессе функционирования ЭВМ перемещается внутри физической памяти.

За процессом перемещения виртуальных страниц необходимо следить. С этой целью текущее состояние виртуальной памяти отображается в виде таблицы страниц. В таблице страниц каждой виртуальной странице с номером Р ставится в соответствие одна строка. В этой строке и указывается, в каком конкретно месте физической памяти расположены виртуальные страницы в данный момент времени, т.е. в этой строке указывается номер физической страницы S. Кроме того, здесь же указывается и признак доступности страницы ЦП d_p, если d_p=0 - страница P находится во ВП (РÏОП),если d_p=1 – страница Р находится в ОП (Р ÎОП), доступна ЦП. В случае d_P=1 преобразование BA в физический ФА производится следующим образом (рисунок 2.24).

Физический адрес формируется конкатенацией (склеиванием) поля S из таблицы страниц и поля D из ВА: ФА=S.D. В IBM PC физический адрес формируется суммированием этих полей: ФА=S+D, где S интерпретируется как базовый адрес, а поле D – как смещение.

В случае, если d_p =0 - т.е. страница недоступна ЦП, происходит прерывание текущей команды и управление передаётся средствам перемещения страниц, т.е. средствам, обеспечивающим свопинг. Эти средства обеспечивают перемещение виртуальной страницы Р из ВП в ОП, предварительно удалив страницу из ОП в свободное место (в свободную физическую страницу) ВП.

Порядок использования таблицы страниц можно проиллюстрировать рисунком 2.25.

Рисунок 2.25

Где хранить таблицы страниц? Проще всего в ОП. Но при этом при каждом обращении по ВА будет производиться два физических обращения к ОП: сначала к таблице страниц, а затем к ячейкеОП по ФА. Ясно, что такая организация памяти снижает быстродействие памяти вдвое. Как быть? Хранить таблицы страниц не в ОП, а в СОП (в КЭШ, например). Это дороже, но быстрее.

Дата добавления: 2014-01-11