Понятие о страничной модели памяти

Организация памяти в ЭВМ, физический и логический адреса. Сегментная адресация.

Каждому байту соответствует уникальный адрес (его номер), который называется физическим адресом.

Физический диапазон значений адресов зависит от разрядности шины адреса микропроцессора.

Для i486 и Pentium он находится в диапазоне от 0 до 2**32-1 --- 4 Гбайт (32-разрядная шина адреса).

Это надстройка над сегментной моделью.

ОП делится на блоки фиксированного размера 4 Кб (должно быть число, кратное степени двойки, чтобы операции сложения можно было бы заменить на операции конкатенации).

Каждый такой блок называется страницей.

Их число 1.048.576 Þ 4 Гб адресуемой памяти.

Основное применение этой модели связано с организацией виртуальной памяти.

Логический адрес в страничной системе – упорядоченная пара (p,d), где p – номер страницы в виртуальной памяти, а d – смещение в рамках страницы p, на которой размещается адресуемый элемент. Заметим, что разбиение адресного пространства на страницы осуществляется вычислительной системой незаметно для программиста. Поэтому адрес является двумерным лишь с точки зрения операционной системы, а с точки зрения программиста адресное пространство процесса остается линейным.

Для того чтобы использовать для работы программ пространство памяти большее, чем объем физической памяти используется механизм виртуальной памяти.

Суть его заключается в том, что операционная система предоставляет возможность по обмену страницами памяти с жестким диском. В случае если программа требует памяти больше, чем объем физической памяти, редко используемые страницы памяти записываются на жесткий диск в специальный файл виртуальной памяти (файл обмена, или страничный файл, или файл подкачки, чаще swap-файлом, подчеркивая, что страницы этого файла замещают друг друга в ОП).

В некоторых ОС выгруженные страницы располагаются не в файле, а в специальном разделе диска, например, в ОС UNIX есть специальный раздел, но могут использоваться и файлы, если не достаточно объема раздела.

В настоящее время файл подкачки может динамически изменять свой размер в зависимости от потребностей системы. Для i486 и Pentium размер возможной виртуальной памяти может достигать 4 Тб (терабайт).

Обратим внимание на то, что программа также разбивается на фрагменты - страницы. Все фрагменты программы одинаковой длины, кроме последней страницы. Говорят, что память разбивается на физические страницы, а программа - на виртуальные страницы.

Трансляция (отображение) виртуального адресного пространства задачи на физическую память осуществляется с помощью таблицы страниц.

Для каждой текущей задачи создается таблица страниц. Диспетчер памяти для каждой страницы формирует соответствующий дескриптор. Дескриптор содержит так называемый бит присутствия.

· Если он = 1, это означает, что данная страница сейчас размещена в ОП.

· Если он = 0, то страница расположена во внешней памяти.

Защита страничной памяти основана на контроле уровня доступа к каждой странице.

Каждая страница снабжается кодом уровня доступа (только чтение; чтение и запись; только выполнение). При работе со страницей сравнивается значение кода разрешенного уровня доступа с фактически требуемым. При несовпадении операции с разрешенной - работа программы прерывается.

Страничная модель памяти поддерживается только в защищенном режиме работы микропроцессора.

В процессоре 80286, помимо реального режима, был реализован также защищённый режим. В защищённом режиме процессор может адресовать до 16 Мбайт физической памяти и 1 Гбайт виртуальной (16384 сегмента по 64 кбайт) за счёт изменения механизма адресации.

Благодаря защищённому режиму, в памяти может храниться только та часть программы, которая необходима в данный момент, а остальная часть может храниться во внешней памяти (например, на жёстком диске). В случае обращения к той части программы, которой нет в памяти в данный момент, операционная система может приостановить программу, загрузить требуемую секцию кода из внешней памяти и возобновить выполнение программы. Следовательно, становятся допустимыми программы, размер которых больше объема имеющейся памяти, и пользователю кажется, что он работает с большей памятью, чем на самом деле.

Недостатки:

1) потери памяти на размещение таблиц страниц

2) потери процессорного времени на обработку таблиц страниц (диспетчер памяти).

3) Программы разбиваются на страницы случайно, без учета логических взаимосвязей, имеющихся в коде Þ межстраничные переходы осуществляются чаще, чем межсегментные + трудности в организации разделения программных модулей между выполняющими процессами.

Чтобы избежать недостатка № 3 был предложен сегментно-страничный способ распределения памяти.

Дата добавления: 2015-03-29