Вопрос 23. Организация виртуальной памяти. Страничная и сегментная организации виртуальной памяти

Система виртуальной памяти требует наличия специальной информации отображения виртуальных адресов в физические, показывающей, какие ячейки виртуальной памяти в текущий момент времени находятся в физической памяти и где именно они размещаются. При этом должна решаться задача минимизации количества информации отображения, которую необходимо держать в основной памяти, гарантируя в то же время удовлетворительные скоростные характеристики системы. Эта задача решается с помощью поблочного отображения.

Для реализации виртуальной памяти необходимо разделить все адресное пространство памяти на части (блоки) и организовать соответствующий обмен между основной и внешней памятью. При этом память разбивается на страницы и сегменты.

Если блоки имеют одинаковый фиксированный размер, они называются страницами, и соответствующая организация виртуальной памяти называется страничной.

Если блоки могут быть различных размеров, они называются сегментами, а соответствующая организация виртуальной памяти называется сегментной.

Возможна комбинация этих подходов. В этом случае сегменты реализуются как объекты переменных размеров, формируемые из страниц фиксированного размера, причем, как правило, применяются сегменты, длина которых выражается целым числом страниц. Такая организация виртуальной памяти называется комбинированной сегментно-страничной.

Адреса в системе поблочного отображения являются двухкомпонентными: виртуальный адрес v указывается при помощи упорядоченной пары (b, d), где b – номер блока, в котором размещается соответствующее слово, а d – смещение слова относительно начала блока.

Преобразование адреса виртуальной памяти v = (b, d) в адрес физической памяти r осуществляется при помощи таблицы отображения блоков (таблицы преобразования адресов), которую система ведет в основной памяти (рис. 28). Физический адрес a этой таблицы загружается в специальный регистр процессора, называемый регистром начального адреса таблицы блоков. Таблица отображения блоков содержит по одной строке для каждого блока. Номер блока b суммируется с базовым адресом a таблицы, образуя физический адрес строки таблицы для блока b. Эта строка содержит начальный адрес A_b блока в основной памяти. К этому начальному адресу A_b прибавляется смещение d, так что образуется нужный физический адрес r = A_b + d.

Рис. 28

Кроме начального адреса A_b блока в таблице отображения хранится признак присутствия блока в основной памяти и признак модифицированности блока, а также может храниться и другая информация, используемая для защиты памяти, например, размер блока и его атрибуты, определяющие тип блока и условия доступа к нему.

Все методы поблочного отображения, применяемые в системах с страничной, сегментной и комбинированной сегментно-страничной организациями имеют подобную схему отображения.

Страничная организация виртуальной памяти. Виртуальный адрес при страничной организации – это упорядоченная пара v = (p, d), где p – номер страницы, содержащей адрес v, а d – смещение адреса v относительно начала страницы p. Основная память разделяется на страничные кадры того же самого размера, что и виртуальные страницы. Поступающая в основную память страница может быть помещена в любой свободный страничный кадр.

Динамическое преобразование адресов при страничной организации памяти предусматривает отображение номера виртуальной страницы p на номер страничного кадра основной памяти p ’, т. е. номер каждой страницы виртуального пространства ставится в соответствие номеру страницы физического адресного пространства. Взаимосвязь между номерами страниц обоих типов устанавливается таблицей страниц (рис. 29). При этом полная таблица страниц размещается в основной памяти. Прежде чем программа начинает выполняться, операционная система загружает физический адрес таблицы отображения страниц в регистр начального адреса этой таблицы. Этот базовый адрес a таблицы прибавляется к номеру страницы p, образуя адрес основной памяти a + p для строки страницы p в таблице. В этой строке указано, что виртуальной странице p соответствует страничный кадр p ’. Затем к значению p ’ пристыковывается (путем конкатенации) смещение d, так что образуется физический адрес r. Такой подход называется способом прямого отображения, так как таблица отображения страниц содержит отдельную строку для каждой страницы виртуальной памяти.

Рис. 29

Так как таблица страниц ведется в основной памяти, то обращение к ней при преобразовании виртуального адреса в физический занимает относительно много времени. Для ускорения этой процедуры используется метод преобразования адресов страниц на основе ассоциативно-прямого отображения (рис. 30).

Дата добавления: 2014-01-13