Сегментная организация памяти

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

В лекции рассмотрена сегментная организация памяти – альтернатива страничной организации. Дано обоснование сегментной организации и ее связи с логической структурой программы. Рассмотрена смешанная – сегментно-страничная – организация памяти, применяемая во многих системах.

Принципы сегментной организации памяти

Сегментная организация памяти (segmentation) - схема распределения памяти в виде сегментов переменной длины, соответствующая пользовательской трактовке распределения памяти, т.е. логической структуре программ и данных. С точки зрения пользователя (разработчика программы), программа – это набор модулей кода и данных, каждому из которых должен соответствовать свой сегмент в памяти. Сегмент – логическая единица распределения памяти, предназначенная для размещения в памяти одного модуля программного кода или данных. Например, в виде сегментов памяти могут быть представлены:

• основная программа;
• процедура;
• функция;
• метод;
• объект;
• набор локальных переменных;
• набор глобальных переменных;
• общий блок данных (например, COMMON-блок в языке FORTRAN);
• стек;
• таблица символов;
• массив.

рис. 17.1 иллюстрирует данную точку зрения на программу как на набор сегментов в памяти.

увеличить изображение
Рис. 17.1. Программа как набор сегментов.

Архитектура сегментной организации памяти

Многие принципы архитектуры сегментной организации схожи с принципами страничной организации (см. "Страничная организация памяти" ), однако во всех случаях приходится учитывать, что длина сегмента переменна, и хранить ее в явном виде в таблицах.

Логический адрес при сегментной организации памяти - пара:

<segment-number, offset>,

где segment-number – номер сегмента, offset – смещение в сегменте.

Таблица сегментов – служит для отображения логических адресов в физические при сегментной организации памяти. Каждый ее элемент содержит следующую информацию:

• base – начальный адрес сегмента в оперативной (физической) памяти;
• limit – длину сегмента.

Базовый регистр таблицы сегментов - segment-table base register (STBR) содержит адрес таблицы сегментов в памяти.

Регистр длины таблицы сегментов - segment-table length register (STLR) содержит число сегментов, используемое программой.

Номер сегмента s корректен, если s < STLR.

Перемещение (relocation) программ и данных при сегментной организации динамическое, т.е. выполняется во время исполнения программы с помощью таблицы сегментов.

Возможен общий доступ (sharing) нескольких процессов к одному и тому же сегменту, т.е. поддерживается концепция разделяемых сегментов. При этом логический номер общего сегмента для разных процессов будет одним и тем же.

Стратегии распределения памяти при сегментной организации: метод первого подходящего или метод наиболее подходящего (см. "Страничная организация памяти" ). Метод наименее подходящего при сегментной организации смысла не имеет, так как он не улучшает ситуацию с фрагментацией (ввиду переменной длины сегментов). Соответственно, при сегментной организации возможна внешняя фрагментация, для борьбы с которой применяется компактировка (см. "Страничная организация памяти" ).

Защита при сегментной организации организована аналогично защите при страничной организации, однако, ввиду того, что каждый сегмент выполняет определенную логическую функцию в программе, дополнительно с каждым сегментом связываются его признаки защиты.Таким образом, в каждом элементе таблицы сегментов хранятся:

• validation-бит (аналогично страничной организации): значение бита, равное 0, означает, что сегмент неверный, т.е. не принадлежит логической памяти процесса;
• полномочия чтения (read) / записи (write) / исполнения (execute) – каждое кодируется одним битом; значение бита, равное 0, означает, что процесс не имеет данных полномочий.

Например, если сегмент является сегментом данных, то система устанавливает в таблице сегментов бит защиты от исполнения равным 0. Если это сегмент кода, то целесообразна установка в 0 битов защиты от чтения и от записи.

Биты защиты связываются с сегментами. Совместный доступ к коду осуществляется на уровне сегментов.

В системе "Эльбрус" к стандартному набору признаков защиты был добавлен еще один: защита от записи в сегмент адресной информации (данный признак целесообразен, если, например, сегмент предназначен для записи в файл).

Поскольку сегменты различаются по длине, распределение памяти в виде сегментов – это общая задача динамического распределения памяти (см. "Страничная организация памяти" ).

На рис. 17.2 приведена схема адресации при сегментном распределении памяти. Логический адрес (s, d),где s – номер сегмента, d – смещение внутри сегмента, обрабатывается следующим образом. По номеру сегмента s происходит обращение в таблицу сегментов, и определяется база сегмента – его начальный адрес в основной памяти. Смещение d сравнивается с длиной (границей) сегмента. Если оно меньше, то оно складывается с базой, и в результате получается физический адрес, по которому и происходит обращение в память. Если смещение больше или равно базе, происходит прерывание – ошибка адресации. На схеме не показана еще одна проверка – для номера сегмента s проверяется, что он не превосходит значения регистра длины таблицы сегментов, иначе – прерывание.

увеличить изображение
Рис. 17.2. Схема адресации при сегментной организации памяти.

Пользователи систем UNIX, Linux, Solaris наверняка по ассоциации вспомнят часто встречающееся системное сообщение: Segmentation violation (нарушение сегментации) при прерывании. Причина подобного сообщения обычно следующая: программа пытается обратиться по пустому (нулевому) указателю, номер сегмента в котором, естественно, равен 0, а номер сегмента 0 считается в системе недопустимым. Таким образом, через проверку номера сегмента, UNIX защищает от такой часто встречающейся ошибки, как обращение по пустому указателю. Аналогично, по той же самой причине, если программа пытается практически любое другое число (например, 5) рассматривать как адрес и обращаться по нему, то также генерируется прерывание и сигнал SIGSEGV (segmentation violation).