ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ
Принцип виртуальной памяти предполагает, что пользователь при подготовке своей программы имеет дело не с физической ОП, действительно работающей в составе ЭВМ и имеющей некоторую фиксированную емкость, а с виртуальной
(т.е. кажущейся) одноуровневой памятью, емкость которой равна всему адресному пространству, определяемому размером адресных полей в форматах команд и базовых регистров. Так, например, процессор I80386 может управлять виртуальной памятью до 64 Тбайт (терабайт). Это потенциально возможный объем виртуальной памяти, которой может управлять процессор с 32-разрядной ША. Между тем объем виртуальной памяти реальных компьютеров существенно меньше потенциального. Он определяется объемом ВП (жесткого диска), а точнее той ее части, которая выделяется операционной системой для реализации механизма виртуальной памяти. Объем ОП в данном случае не учитывается, поскольку он существенно меньше выделенного объема дисковой памяти (ВП).
Пользователь имеет в своем распоряжении все адресное пространство ЭВМ независимо от объема ее физической памяти (ОП) и объемов памятей, необходимых для других программ, участвующих в мультипрограммной обработке. При этом достигается гибкое динамическое распределение памяти, устраняется ее фрагментация и создаются значительные удобства для работы программиста. В современных ЭВМ все это достигается без заметного снижения производительности компьютера, ценой усложнения аппаратуры, операционной системы и процессов их функционирования.
На всех этапах подготовки программы, включая загрузку в ОП, программа представляется в виртуальных адресах, и лишь при самом исполнении машинной команды производится преобразование виртуальных адресов в реальные адреса физической памяти ЭВМ (их называют еще физическими
адресами или исполнительными).
Преобразование виртуальных адресов в физические упрощается, а также устраняется фрагментация памяти, если физическую и виртуальную память разбить на блоки небольшого размера, содержащие одно и то же число байт.
Такие блоки называются страницами. Страницам виртуальной и физической памяти присваивают номера, называемые номерами соответственно виртуальных и физических страниц. Каждая физическая страница способна хранить одну из виртуальных страниц. Нумерация байт в виртуальной и физической страницах сохраняется одной и той же.
Вновь загружаемая в ОП программа может быть направлена в любые свободные в данный момент физические страницы, независимо от того, расположены они подряд или нет. Не требуется перемещения информации в остальной части памяти. Страничная организация позволяет более рационально
осуществлять обмен информацией между ВП и ОП, так как страница программы не должна загружаться до тех пор, пока она действительно не понадобится (имеется в виду, что обмен небольшими блоками информации между ВП и ОП можно осуществить без заметного снижения производительности процессора). Сначала в ОП загружается начальная страница программы, и ей передается управление. Если в процессе обработки программы делается попытка выборки слов из другой страницы, то производится автоматическое обращение к операционной системе, которая осуществляет загрузку требуемой страницы. Так происходит в процессе выполнения всей программы, при этом ненужные модифицированные страницы программы перемещаются из ОП в ВП. (Алгоритмы замены страниц в ОП рассматриваются в п. 9.6). Операция замены (замещения) страниц в ОП называется свопингом (swapping), а часть диска, выделенная на нужды виртуальной памяти, – файлом подкачки
(swap file). Размер этого файла, а следовательно, и максимальный объем виртуальной памяти конкретной ЭВМ зависят от общего объема жесткого диска и типа установленной операционной системы.
Соответствие между виртуальными и физическими памятями устанавливается страничной таблицей, причем физические страницы могут содержаться в текущий момент времени как в ОП, так и в ВП.
Упрощенная схема страничной организации памяти изображена на рис. 9.12.
Страничная таблица для каждой программы формируется операционной системой в процессе распределения памяти и перерабатывается ею каждый раз, когда в распределении памяти производятся изменения.
Процедура обращения к памяти состоит в том, что номер виртуальной страницы извлекается из адреса и используется для входа в страничную таблицу, которая указывает номер соответствующей физической страницы. Этот номер вместе с номером байта, взятым непосредственно из виртуального адреса, представляет собой физический адрес, по которому происходит обращение к ОП. Процесс формирования физического адреса можно изобразить схемой, представленной на рис. 9.13, причем под номером физической страницы понимается ее базовый адрес.
Если страничная таблица указывает на размещение требуемой информации во внешней памяти (ВП), то обращение к ОП не может состояться немедленно, так как операционная система должна организовывать загрузку в ОП из ВП нужной
страницы.
Для каждой из программ, обрабатываемых в мультипрограммном режиме, организуется своя виртуальная память и создается своя страничная таблица, при этом все программы делят между собой одну физическую память (ОП и ВП).
Страничные таблицы программ хранятся в ОП, и обращение к нужной строке активной страничной таблицы в ОП происходит по адресу, который определяется номером активной программы и номером виртуальной
страницы.
Следует иметь в виду, что механизм организации страничной адресации в реальных вычислительных системах, даже на процессорах поколения I80386, существенно сложнее описанного выше. В частности, для обращения к страничной таблице соответствующей программы операционная система должна первоначально обратиться к каталогу, в котором хранятся базовые адреса страничных таблиц соответствующих программ. Перемещение модифицированных страниц из ОП в ВП в большинстве случаев осуществляется не напрямую, а через кэшированную область ОП (дисковый кэш), поскольку велика вероятность обращения к недавно удаленной странице. Такой механизм позволяет ускорить процесс подкачки страницы при повторном обращении.
Для ускорения преобразования адресов обычно используется небольшая сверхоперативная память, куда передается из ОП страничная таблица активной программы.Кроме того, во внутренней памяти процессора обычно формируется сводная таблица, содержащая сведения о номерах виртуальных и соответствующих физических страниц для нескольких недавно использовавшихся страниц, в том числе принадлежащих разным программам. Так, внутрикристальный кэш процессора I80386 содержит информацию, необходимую для доступа к 32 страницам памяти, к которым недавно выполнялось обращение. В этом варианте сверхоперативная память, используемая при преобразовании адресов, строится как ассоциативная. Обращение к ней идет не по адресу, а по содержанию хранимой в ячейке информации – номеру программы и номеру виртуальной страницы.
