Операционные системы/Пример организации страничной виртуальной памяти

Материал из eSyr's wiki.

Модельная (упрощенная) схема организации функционирования страничной памяти ЭВМ следующая.

Пусть одна система команд ЭВМ позволяет адресовать и использовать m страниц размером 2^k каждая. То есть виртуальное адресное пространство программы/процесса может использовать для адресации команд и данных до m страниц.

Физическое адресное пространство, в общем случае, может иметь произвольное число физических страниц (их может быть больше m, а может быть и меньше). Соответственно, структура исполнительного физического адреса будет отличаться от структуры исполнительного виртуального адреса размером поля ”номер страницы”.

В виртуальном адресе размер поля определяется максимальным числом виртуальных страниц – m.

В физическом адресе – максимально возможным количеством физических страниц, которые могут быть подключены к данной ЭВМ (это также фиксированная аппаратная характеристика ЭВМ).

В ЦП ЭВМ имеется аппаратная таблица страниц (иногда таблица приписки) следующей структуры:

Таблица содержит m строк. Содержимое таблицы определяет соответствие виртуальной памяти физической для выполняющейся в данный момент программы/процесса. Соответствие определяется следующим образом: i-я строка таблицы соответствует i-й виртуальной странице. Содержимое строки αi определяет, чему соответствует i-я виртуальная страница программы/процесса. Если α_i ≥ 0, то это означает, что α_i есть номер физической страницы, которая соответствует виртуальной странице программы/процесса. Если α_i= -1, то это означает, что для i-й виртуальной страницы нет соответствия физической странице ОЗУ (обработка этой ситуации ниже). Итак, рассмотрим последовательность действий при использовании аппарата виртуальной страничной памяти.

1. При выполнении очередной команды схемы управления ЦП вычисляет некоторый адрес операнда (операндов) A_исп. Это виртуальный исполнительный адрес.
2. Из A_исп выделяются значимые поля номер страницы (номер виртуальной страницы). По этому значению происходит индексация и доступ к соответствующей строке таблицы страниц.
3. Если значение строки ≥ 0, то происходит замена содержимого поля номер страницы на соответствующее значение строки таблицы, таким образом, получается физический адрес. И далее ЦП осуществляет работу с физическим адресом.
4. Если значение строки таблицы равно –1, то это означает, что полученный виртуальный адрес не размещен в ОЗУ. Причин такой ситуации может быть две. Первая – данная виртуальная страница отсутствует в перечне станиц, доступных для программы/процесса, то есть имеет место попытка обращения в “чужую” память. Вторая ситуация – когда операционная система в целях оптимизации использования ОЗУ откачала некоторые страницы программы/процесса в ВЗУ (свопинг). Что происходит в системе, если значение строки таблицы страниц –1, и мы обратились к этой строке? Происходит прерывание “защита памяти”, управление передается операционной системе (по стандартной схеме обработки прерывания и далее происходит программная обработка ситуации (обращаем внимание, что все, что выполнялось до сих пор – пункт 1, 2, 3 и 4 – это действия аппаратуры, без какого-либо участия программного обеспечения)).

ОС по содержимому внутренних данных определяет конечную причину данного прерывания: или это действительно защита памяти, или мы пытались обратиться к странице ОЗУ, которая временно размещена во внешней памяти. Таким образом, предложенная модель организации виртуальной памяти позволяет решить проблему фрагментации ОЗУ. На самом деле, некоторая фрагментация остается (если в странице занят хотя бы 1 байт, то занята вся страница), но она является контролируемой и не оказывает значительного влияния на производительность системы. Далее, данная схема позволяет простыми средствами организовать защиту памяти, а также своппирование страниц. Предложенная модель организации виртуальной памяти позволяет иметь отображение виртуального адресного пространства программы/процесса в произвольные физические адреса; она также позволяет выполнять в системе программы/процессы, размещенные в ОЗУ частично (оставшаяся часть может быть размещена во внешней памяти).

Недостаток – необходимость наличия в ЦП аппаратной таблицы значительных размеров.

Итак мы рассмотрели модельный, упрощенный вариант организации виртуальной памяти. Реальные решения используемые в различных архитектурах ЭВМ могут быть гораздо сложнее, но основные идеи остаются неизменными.