Система управления памятью

Современные системы распределения памяти опираются на две концепции: динамического использования ресурсов и виртуализации.

При динамическом распределении памяти каждой программе в начальный момент выделяется лишь часть от всей необходимой ей памяти, а остальная часть выделяется по мере возникновения реальной потребности в ней.Такой подход базируется на следующих предпосылках.

Во-первых, при каждом конкретном исполнении в зависимости от исходных данных некоторые части программы (до 25% ее длины) вообще не используются. Следует стремиться к тому, чтобы эти фрагменты кода не загружались в ОП.

Во-вторых, исполнение программы характеризуется так называемым принципом локальности ссылок. Он подразумевает, что при исполнении программы в течение некоторого относительно малого интервала времени происходит обращение к памяти в пределах ограниченного диапазона адресов (как по коду программы, так и по данным). Следовательно, на протяжении этого времени нет необходимости хранить в ОП другие блоки программы.

При этом системные средства должны отслеживать возникновение требований на обращение к тем частям программы, которые в данный момент отсутствуют в ОЗУ, выделять этой программе необходимый блок памяти и помещать туда из внешнего ЗУ требуемую часть программы. Для этого может потребоваться предварительное перемещение некоторых блоков информации из ОЗУ во внешнюю память. Данные перемещения должны быть скрыты от пользователя и в наименьшей степени замедлять работу его программы.

Перемещение блоков информации из ОЗУ во внешнюю память с целью освобождения места для новой информации происходит обычно по одному из следующих алгоритмов:

LRU (least recently used) - наиболее давно не использовавшийся;

FIFO - самый давний по пребыванию в ОЗУ;

Random - случайным образом.

Динамическое распределение памяти тесно переплетается с понятием виртуальной памяти.

Принцип виртуальной памяти предполагает, что пользователь при подготовке своей программы имеет дело не с физической ОП, действительно работающей в составе компьютера и имеющей некоторую фиксированную емкость, а с виртуальной (кажущейся) одноуровневой памятью, емкость которой равна всему адресному пространству, определяемому размером адресной шины ( L_ша ) компьютера:

V_вирт >> V_физ,

V_вирт = 2^Lша.

Для персональной ЭВМ на основе 32-разрядных микропроцессоров

V_вирт= 2³² = 4 Гбайт.

При этом, естественно, в ЭВМ должен быть обеспечен достаточный объем внешней памяти для хранения всех программ, обрабатываемых на компьютере.

Программист имеет в своем распоряжении адресное пространство, ограниченное лишь разрядностью адресной шины, независимо от общего объема оперативной памяти компьютера и объемов памяти, используемых другими программами, параллельно обрабатываемыми в мультипрограммной ЭВМ.

Виртуальная память, обеспечивая возможность программисту обращаться к очень большому объему непрерывного адресного пространства, предоставляемого в его монопольное распоряжение, обладает обычными свойствами: побайтовая адресация, время доступа, сравнимое со временем доступа к оперативной памяти.

На всех этапах подготовки программ, включая загрузку в оперативную память, программа представляется в виртуальных адресах, и лишь при выполнении машинной команды виртуальные адреса преобразуются в физические. Для каждой программы, выполняемой в мультипрограммном режиме, создается своя виртуальная память. Каждая программа использует одни и те же виртуальные адреса от нулевого до максимально большого в данной архитектуре.

Для преобразования виртуальных адресов в физические физическая и виртуальная память разбиваются на блоки фиксированной длины, называемые страницами. Объемы виртуальной и физической страниц совпадают. Страницы виртуальной и физической памяти нумеруются.

Виртуальный (логический) адрес в этом случае представляет собой номер виртуальной страницы и смещение внутри этой страницы.В свою очередь, физический адрес - это номер физической страницы и смещение в ней.

Вначале в ОП загружается первая страница программы и ей передается управление. Когда в ходе выполнения программы происходит обращение за пределы загруженной страницы, операционная система прерывает выполнение данной программы, загружает требуемую страницу в ОП, после чего передает управление прерванной программе.

Правила перевода номеров виртуальных страниц в номера физических страниц обычно задаются в виде таблицы страничного преобразования. Такие таблицы формируются системой управления памятью и модифицируются каждый раз при перераспределении памяти.

Перевод виртуальных адресов в физические проиллюстрирован на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Преобразование виртуального адреса в физический

Рассмотрим пример преобразования адреса виртуальной страницы в адрес физической страницы. Пусть компьютер имеет оперативную память V_ОЗУ=3 и адресное пространство, предполагающее разбиение на страницы объемом V_стр=1. Каждая программа, в свою очередь, разбивается на виртуальные страницы того же объема. Пусть коэффициент мультипрограммирования данной ЭВМ равен четырем, то есть на компьютере могут одновременно выполняться до четырех программ. Переключение между программами происходит через t_k = 1. Время выполнения каждой страницы любой программы составляет t = 2t_k. Полагаем, что страницы программ загружаются в оперативную память по мере их необходимости и, по возможности, в свободные области ОЗУ. Если вся память занята, то новая страница замещает ту, к которой дольше всего не было обращений (механизм замещения LRU ). Пусть выполняемые программы имеют следующее количество страниц: V_A=2, V_B=1, V_C=3, V_D=2. Тогда таблица загрузки оперативной памяти и таблицы страничного преобразования для каждой программы будут иметь следующий вид:

В таблице распределения оперативной памяти выделены номера активных в данном такте страниц.

В таблицах страничного преобразования прочерками отмечены ситуации, когда данная виртуальная страница отсутствует в оперативной памяти.

Если каждая страница имеет объем 1000 адресуемых ячеек, то, например, в такте 9 обращение по виртуальному адресу 1100 программы A ( виртуальная страница 1, смещение в странице равно 100) приведет к обращению по физическому адресу 2100 ( физическая страница 2, смещение в физической странице такое же, как и в виртуальной - 100).

Таблица страничного преобразования хранится в ОП. В связи с этим каждое обращение программы к памяти за командой или за операндом требует дополнительного обращения к оперативной памяти для страничного преобразования, что существенно снижает производительность компьютера. Для уменьшения влияния этого фактора используются различные подходы. Основной из них - метод, при котором после первого преобразования номера виртуальной страницы полученный номер физической страницы запоминается во внутренних служебных регистрах микропроцессора. При очередном обращении к памяти аппаратными средствами микропроцессора осуществляется проверка того, было ли уже обращение к данной виртуальной странице. Если было, то номер соответствующей ей физической страницы уже находится в микропроцессоре. В противном случае преобразование выполняется обычным образом с обращением к оперативной памяти. Так как программа может достаточно долго обращаться к адресам, находящимся в пределах одной страницы, такой подход существенно сокращает время на страничное преобразование.