Анализ и оценка виртуальной памяти ЭВМ при ее сегментно-страничной организации

1. Для чего нужна память? Какие бывают виды памяти?

(Глава, необходимая для понятия предназначения памяти вообще)

Компактная микроэлектронная лпамять широко применяется в современной аппаратуре самого различного назначения. Но тем не

менее разговор о классификации памяти, её видах следует начать

са определения места и роли, отведённой памяти в ЭВМ. Память является одной из самых главных функциональных частей маши-

ны, предназначенной для для записи, хранения и выдачи команд

и обрабатываемых данных. Следует сказать, что команды и дан-

ные поступают в ЭВМ через стройство ввода, на выходе которого

они получают форму кодовых комбинаций 1 и 0. Основная память

кака правило состоит иза запоминающиха стройств двуха видов - оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ).

ОЗУ предназначенно для хранения переменной информации; оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения вы-числительного процесса. Таким образом, процессор берёт иза ОЗУ

код команды и, после обработки каких-либо данных, результат об-

ратно помещается в ОЗУ. Причема возможно размещение в ОЗУ

новых данных на месте прежних, которые при этом перестают су-ществовать. В ячейках происходит стирание старой информации и запись туда новой. Из этого видно, что ОЗУ является очень гибкой

структурой и обладает возможностью перезаписывать информа-

цию в свои ячейки неограниченное количество раз по ходу выпол-

нения программы. Поэтому ОЗУ играет значительную роль в ходе

формирования виртуальных адресов.

ПЗУ содержит такой вид информации, которая не должна изме-

няться в ходе выполнения процессором программы. Такую инфор-

мацию составляют стандартные подпрограммы, табличные данные,

коды физическиха константа и постоянныха коэффициентов. Эта информация заносится ва ПЗУ предварительно, и блокируется пу-

тем пережигания легкоплавких металлических перемычек в струк-

туре ПЗУ. В ходе работы процессора эта информация может толь-

ко считываться. Таким образома ПЗУ работаета только в режимах

хранения и считывания.

Из приведённыха выше характеристик видно, что функциональ-

ные возможности ОЗУ шире чем ПЗУ: оперативное запоминающее стройство может работать в качествеа постоянного, то есть в ре-

жиме многократного считывания однократно записанной информа-

ции, ПЗУ не может быть использованно в качествеа ОЗУ. Это

заключение, в свою очередь, приводит к выводу, что ПЗУ не учас-

твует в процессе формирования виртуальной памяти. Но бесспорно,

ПЗУ имеета свои достоинства, напримера сохранять информацию

при сбоях, отключении питания (свойство энергонезависимости).

Для обеспечения надежнойа работы ЭМа приа отказаха питания

нередко ПУа используется в качестве памяти программ. В таком случае программа заранее лзашивается в ПЗУ.

2. Микросхемы памяти.

(Где, находится информация при работе компьютера?)

Как было сказанно ранее, в современных компьютерах использу-

ется так называемая электронная память. Для построения ОЗУ,

ПЗУ, регистровых ЗУ в настоящее время широко применяют полу-проводниковые интегральные микросхемы, которые изготавливают

по специальной полупроводниковойа технологии с применением ин-

тегральныха схема (ИС) иа большиха интегральных схема (БИС) на

основе кремния с высокой степенью интеграции.

Рис.1 Рис.2

На рисунках 1 и 2 изображены микросхемы памяти как функци-

ональных злов:а рис. 1 - ОЗУ, рис. 2 - ПЗУ. Основной составной частью микросхемы ОЗУ является массив элементов памяти, объе-

динённых в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может хра-

нить одина бита информации. Каждый ЭП обязательно имеет свой адрес. Для обращения к ЭП необходимо его выбрать с помощью

кода адреса, сигналы которого подводят к соответствующима выво-

дама микросхемы. ПЗУ построенно аналогично, а функции ЭП в микросхемах ПЗУ выполняют перемычки в виде проводников.

Это была краткий экскурс в така называемые лресурсы машин-

ной памяти, необходимый для более глубокого понимания как фу-

нкционирования компьютера, так и основной темы проекта.

3. Виртуальная память: Что это такое? Для чего это нужно?

(Рассматривает вопрос организации ВП)

Итак, мы вплотнуюа подошли к проблеме виртуальной памяти:

что это такое и для чего это нужно?а Дело в том, что с развитием иа появлением новыха компьютерных технологий, машины несомненно преобразились в лучшую сторону: в мире профессиональныха прог-раммистова же не существуета понятия ОЗУ на ферритовых сер-

дечниках или лнакопителей на магнитных лентах. Что и говорить,

с изобретением персонального компьютера, даже простой непрофес-

сиональный пользователь получил возможность использовать ПК

для собственных целей и нужд. Фирмой IntelЩа и другими произво-

дителями вычислительной техники были выпущены компьютеры достаточно простые ва обращении (по сравнению с огромными лам-повыми IBM-1401 или нивак П). Компьютеры нового поколения*

* Фирмой Texas Instrumentsовыпущена модель 486DX4-75Mhz.

имели процессоры IntelЩ 80386, 80486, с 16-ти и 32-х разряднымиа шинами, огромным быстродействием (25-66Mhz). Этиа персоналки - большой шаг вперед в развитии компьютерных технологий. Вместе с

этим у пользователя появилась тенденция лоседлать быструю ма-

шину - заставить её делать как можно больше. Как экономить ма-

шинное время и в то же время производить больше? Ответ на этот вопрос была найдена посредством организации мультипрограммной работы ЭВМ. Этот метод был признан очень удобным, так как при организации мультипрограммного цикла:

1. Машина не простаивала зря:а при одновременнома выполнении

нескольких программ и команда в работе процессор появлялась но-

вая функция - анализ и распределение машинного времени, отведён-

ного на выполнение каждой программы;

2. З каждыйа машинный такта (вследствиеа с очередностью или

уровнем приоритета, общим временем, требующимся на выполнения команды) выполнялась одна или несколько комманд.

Действительно, метод мультипрограммной работы оказался потря-

сающе эффективным, но для его успешной реализации требовалось очень много оперативной памяти, так как всякая программа, которая может быть вызванна впоследствии, оставляет небольшую (а иногда

и очень большую!) свою часть резидентной ва оперативной памяти. Возможны два варианта:а сохранить большую часть ОЗУ свободной,

по надобности загружая в Па ту или иную программу, требующую непосредственного выполнения и, после этого, отработава с данной

программой, отчистить содержимое ОП для загрузки новой програм-

мы. Второй варианта состоит в том, чтобы сразу загрузить в ОП ма-шины все требующиеся программы, таким образома заполнив её до основания и потом дать процессору команду на выполнение. Первый вариант не является примером мультипрограммной организации. Вто-

рой вариант является. Итак, несомненно, второй вариант наиболее подходящий, но здесь мы сталкиваемся с проблемой нехватки опера-тивной памяти. В современныха компьютерах емкость ОЗУ (аналог - RAM) не превышает 1MB, 384KB из которых зарезервированны под ПЗУ, ППЗУ, BIOS... Итого остаётся 640KB лчистой оперативной па-мяти - но в ней поместятся две-три программы и не более.

Хорошо видно, что внедрение более рационального решения стал-кивается с единственной проблемой - проблемой памяти. Но можно

ли каким-то образом решить этуа проблему?а Именно на этом этапе

на помощь пользователю приходит виртуальная память, которая позволяет модифицировать ресурсы памяти, сделать объём опера-тивной памяти намного больше, для того чтобы пользователь, помес-

тива туда как можно больше программ, реально сэкономил время и повысила эффективность своего труда. Открытие виртуальной па-

мяти (далее ВП) внесло огромную контрибуцию в развитие современ-ных технологий, облегчило работу кака профессионального програм-миста, так и обычного пользователя, обеспечивая процесс более эф-фективного решения задач на ЭВМ.

Возникает много вопросов:а как строена ВП, как она функциони-

рует, каким образом при использовании ВП ресурсы обычной физи-

ческой памяти лувеличиваются во много раз, используются ли для

этой цели какие-либо лподручные средства (устройства)..? Действи-тельно, возникает множество интереснейшиха вопросов, ответы на которые будут даны в следующих параграфах.

Почему виртуальная память также носит название математи-ческой, кажущейся? Как можно реорганизовать ОЗУ таким образом, чтобы её объём двоился, троился?а Преимущество Па состоит в

том, что объем ОЗУ не может быть величенно ни практически, ни теоретически. (Это попростуа невозможно - ни какими средствами

нельзя оптимизировать или преобразовать ячейки памяти, для того, чтобы, скажем, помещать туда два бита информации вместо одного).

Но как же построена ВП? Дело в том, что при работе машины, испо-льзующей виртуальную память, обязательно используется Внешнее Запоминающее стройство (ВЗУ), которое обычно представляет собой накопитель на гибком магнитном диске или жестскома дискеа тип винчестер. (Последнее стройство используется чаще).

Действительно, использованиеа виртуальной памяти обязательно

подразумевает обращение к диску так как при разработке и внедре-

нию систем с таким методом организации памяти, было представле-

но, что ячейки оперативнойа памяти и памяти на диске будута пред-

ставлять собой единое целое. По своей сути ВП не такая ж слож-

ная структура - напротив, недостаток оперативной памятиа компен-

сируется наличиема свободного дискового пространств которое за-

действованно в роли ОП. Необходимо понимать, что часть программ,

которые мы не смогли разместить в ОП из-за её нехватки, (см. нач.

з 3) атеперь будута размещены на диске и это будета эквивалентно

размещению в оперативной памяти. Виртуальная память представ-

ляет собой совокупность всех ячеек памяти - оперативной и вне-шней, имеющиха сквозную нумерациюа от нуля до предельного значения адреса. Использованиеа ВЗУ очень добно, так как в это

время пользователь оперирует с общим адресныма пространством

и ему безразлично какая физическая память при этома использу-

ется - внешняя или внутренняя. При работе ВП всего лишь подра-

зумевается различие междуа виртуальнымиа адресами и физичес-

кими. Интересно проследить за формированием адресного простран-

ства при использовании ВП. Как же адресное поле может быть ве-

личено? Дело в том, что при работе машины с ВП, используются

методы страничной и сегментной организации памяти, смысл кото-

рых рассмотрен в следующих параграфах.

4. Виртуальная Память при страничной организации

(Страничная организация ВП, формирование виртуальных адресов)

Как было сказанно ранее, для более эффективного функциониро-

вания ЭМа используется динамический метода распределения па-

мяти. Это значит, что процесс распределения памяти осуществля-

ется непосредственно в ходе решения задачи с четом предыдуще-

го состояния машины и описания массивов данных. Например про-

цесс компиляции с языков высокого уровня отводит определённую

область памяти под каждую переменную, массив, структуру.

В настоящее время процесс динамического распределения памя-

ти осуществляется методом относительной адресации (с исполь-

зованиема виртуальных адресов), в виде страничной и сегментной

организации памяти.

Рассмотрим первую формуа организации ВП при еёа страничной

организации (СО). Нужно отметить очень важный пункт, что при

СО, все ресурсы памяти, как оперативной, так и внешней предста-

вляются для пользователя единым целым. Пользователь работает

с общим адресныма пространством и неа задумывается какая па-

мять при этома используется:а оперативная или внешняя, эта об-

щая память носит название виртуальной (моделируемой).

Виртуальная память разбивается на страницы, которые содер-

жат определённое фиксированное количество ячеек памяти. При

этом одна страница математическойа памяти не можета быть боль-

ше или меньше других - все страницы должны быть одинаковы по

количеству ячеек. Типичные размеры страниц - 256, 512, 1024, 2048

Байт и более (числа кратные 256).

Рис.3

Так называемая физическая память, которая включает в себя ОЗУ

и ВЗУ так же разбивается н страницы объема которыха должен

соответствовать размерам ВП, иначе, из-за неправильности разме-

ров, ячейки физической памяти не будут совпадать с ячейками ВП,

что приведёт к путанице и лзависанию системы.

Н рисунке 3 изображен аспособа формирования страниц ВП из

физической памяти. Ячейки ОЗУ разбиваются на страницы оди-

накового объем (например 1024 Байт), каждая из которых может

содержать какую-либо информацию. В ВЗУ, представленным нако-

пителема типа винчестер, процессора резервируета определённые

сектора с которыми впоследствие будет работать ВП. Всё это скла-

дывается вместе и представляет собой единую структуру - ВП.

При работе пользователя, одна из его программ может находится

в ОП (реально - в микросхеме на рис. 3), другая в ВЗУ (на диске).

При этома совершенно не заметно, что пользователь работаета с

математическими адресами, поэтому в процессе операцийа поцес-

сор может обращаться только к Па (или СОП - Сверхоперативная

память)а <-а в случае выполнения первойа программы, или к диску,

если выполняется вторая программа. Но при работе второй програм-

мы, операционная система должна организовать перепись той стра-

ницы, где находится вторая программа, в Оперативную Память.

Пользователь не задумывается над этим, но в этот момент страни-

ца ВП са диска, как бы накладывается на свободную* страницу ОП.

Таким образом, при выполнении даже одной программы, различные

части этой программы могут находится в ОП (СОП)а или на магнит-

ных носителях, одни и те же ячейки общей физической памяти могут называться различными адресами.

Адресная часть команды в пользовательских программах должна

содержать адреса математической страницы и адрес слова, которое

должно находится в этой странице (искомое слово). При распределе-

нии памяти между различными частями программы, процессор берёт

на себя функции преобразования адреса, находящегося в математи-

ческой странице, в адрес физической страницы. По этому адресу рас-

пологается требуемое слово, которое может хранится как в ОП, так

и во внешней памяти. Совокупность адреса физической страницы и

дрес слова внутри этой страницы образует физический адрес опе-

ранда.

Соответствие междуа номерами физическиха иа математических

страница станавливается специальной программой операционной сис-

темы, которая носит название менеджера (диспетчер)а памяти. Как

правило эт программа является резидентной и правляет всеми ре-

сурсами машинной памяти. Для 286-х процессоров используют менед-

жер himem.sys, для 386-ха иа 486-ха машин emm386.sys и qemm.sys

С помощью таких программ формируется так называемая страничная

таблица, которая помещается ва сверхоперативную память, обладаю-

щую наибольшим быстродействием. Эта таблиц является неотъем-

лемой частью организации ВП с СО, так как ва ней содержится вся

информация о страницах, на данный момент находящихся в памяти.

В страничной таблице находятся адреса программ, ровень их прио-

ритета и т. д. Содержание страничной таблицы будет подробно опи-

санно ниже.

Рассмотрима пример преобразования виртуальныха адресова в фи-

зические. Пусть виртуальная память содержит 8а страниц по 2048 Байт ва каждой странице. Для компактности примера, предположим,

что физическая память имеет ёмкость 4а страницы (по 2 Кб соответ-ственно). При обращении к физической памяти для проведения каких-

14-ти битовый виртуальный адрес

а3-х битовый 11-ти битовый адрес в пределах выбранной ВС

номер ВС

Рис.4

* Эта страница необязательно может быть свободной. Подробности о

стратегиях замены (своппирования) страниц см. в з 8

либо операций (записи или выборки операндов, выполнения команды или осуществления передачи правления), программой формируется

14-ти битовый адрес, соответсвующий виртуальному адресу, который определяет ячейки в промежутке от 0 до 16 Кб - 1.

В данном примере 14-ти битовый адрес кака бы разбивается на 3-х

битовый номера виртуальнойа страницы и 11-ти битовый внутри той

страницы, номер которойа определён тем самым 3-х битовым номером.

Пример код адреса при страничной организацииа памяти показан

на рисунке 4. А связь междуа номерами страниц и самими виртуаль-

ными адресами показанна на рисунке 5. Итак, рассмотрим рисунок 4:

3-х битовый номер виртуальной страницы 110а (в bin-формате)а соот-ветствуета номерама 6 и 6hа (dec- и hex-форматы)а <-а необходимо пом-

нить, что все операции в машине производятся в шеснадцатеричном

формате. Таким образом, выбирается страниц с номером 6 и внут-

ренним адресом 00101000B (14Eh). Значит по рисунку 5, этот физи-ческий адрес будет соответствовать виртуальному адресу 12288...

Страниц Виртуальные адреса

Рис.5

Это значит, что шестая страница виртуальной памяти начинается с

дрес 12288 и заканчивается по адресуа 14335. Общий объем вир-

туальной страницы составляет 2048 Байт (2 Кб).

Для определения физического адреса пользовательской программы,

резидентный диспетчера памяти под правлениема операционной сис-

темы должен становить местонахождение виртуальнойа страницы.

Физическая страниц памяти, которая соответствуета виртуальной,

можета находится в оперативной памяти, но может также быть и на

диске. Как было сказанно ранее, для того чтобы становить соответс-

твие между виртуальной и физической страницами, ОС обращается к

страничной таблице, каждая из строк которой содержит по одной за-

писи для каждой из восьмиа виртуальных страниц. Как же организо-

ванна эт страничная таблица?а Запись в строке содержит три поля

Первое однобитовое поле по сути является флагома <- в этой ячейке

может находится либо включенный, либо выключенный бит (1 или 0),

что казывает н конкретноеа местонахождение страницы:а если в

этома поле содержится код нуля это подсказывает процессору, что

необходимую страницу нужно искать во внешней памяти, если зна-

чение бита в данном поле равно 1, то искомая страница же находит-

ся в оперативной памяти. Таким образом, все функции единственного

бита в этома поле - принимать значения True или False. Второе поле

содержит адрес внешней памяти. Этот адрес станет необходим если

искомой страницы нет в оперативной памяти, она находится в ВЗУ

и её надо переписать в ОЗУ для работы с программой, находящейся

в этой странице. По этому адресу машина обращается к виртуальной

странице, хранящейся на диске и копирует еёа содержимоеа в ОЗУ.

Важное замечание заключается ва том, что если в первом одноби-

товом поле флаг находится ва состоянии 1, то второе поле автомати-

чески игнорируется, потому что искомая страница жеа лсидит в

ОП и нета никакой необходимости MOV CX, ADDRESSа (засылать

в регистр CXа адрес внешней ВС для его обработки). После того как

машина отработает с данной страницей ВП и надобность в ней исчез-

нет (возможно на какое-то время), эта страница обратно переносится

на диск, освобождая место для другой страницы которая нужн ма-

шине в данный момент для продолжения работы.

Наконец третье поле, функциональная нагрузка которого - казы-

вать номера страницы опреративной памяти, ва которой находится

необходимая информация. Если нужной страницы нет в ОП, она на-

ходится на диске (бит первого поля выключен), то третье поле игно-

рируется. На рисунке 6 изображена схема Страничной организации

виртуальной памяти.

Рис.6а Страничная организация Виртуальной Памяти.

Итак, при распределении памяти в машине, супервизор формирует

страничную таблицу. Входом в эту таблицу является номер матема-

тической страницы, в которойа находится нужная ячейка апамяти. Если адресная страниц находится в ОП, то формирование адреса происходит следующим образом:а двухбитовый номер страницы зано-сится в два левых разряда адресного регистра оперативной памяти, а

дрес внутри виртуальнойа страницы (11 бит исходного адреса) пере-

писывается в 11 правыха разрядов адресного регистра. Это очень хо-рошо показанно н правойа части рисунка. P<а<- регистра математи-

ческого адреса, Pфа<- регистр физического адреса, p - номер матема-тической страницы, l -а смещение. Таким образом, l-смещение пере-писывается из регистра математического адреса в регистра физичес-

кого без изменений. По номеру p из страничной таблицы извлекается

номер физической страницы и, если эта страница же находится в

ОП, то еёа номер записывается в регистр физического адреса, если

же искомая страница находится в ВЗУ, то она сначала переписыва-

ется в ОП. Для этого используется илиа свободная страница ОП, или

какая-либо страница ОП освобождается:а информация из этой стра-

ницы снова переносится во внешнюю память (но ни в коем случае

не стирается!). После этого страничная таблица обновляется <- в неё

заносятся сведения о новых страницаха (той которая на данный мо-

мент находится в ОЗУ и той которая переместилась во внешнюю па-

мять). Страничная таблица является такима видом информации кото-

рая очень часто обновляется. Она постоянно лдышит. Каждый раз

когда у пользователя возникаета потребность в новой информации (в

часности в новой странице памяти), присходит процесс свопирования,

то есть перемены местами страниц ОП и ВУа (англ. swap - менять

местами). При этом в страничную таблицу заносится наиболее све-

жая информация о том в какуюа страницу виртуальной памяти была

помещена страница, только что удалённая из ОП, содержится ли в

этой странице нужное на следующем этапе слово и т. д. У странич-

ной таблицы множество работы.

Кака было отмеченно, для наиболееа эффективного функциони-

рования машины необходимы большая ёмкость ОЗУ и быстродейст-

вие. Как извесно, обычная оперативная память (RAM) не является

максимально быстродействующей. Это значит, что если бы странич-

ная таблица находилась в такой памяти, то пользователь сталкивал-

ся бы с реальной потерей времени, так как процессор довольно час-

то обращается к СТ. Выход из этой неудобной ситуации был найден

при помещении страничной таблицы в сверхоперативную память,

которая обладаета наибольшима быстродействием, хотя иа во много

раза меньше по объемуа чем RAM. Но этого объёма вполне хватает

процессору и он получает возможность работать с большей произво-

дительностью, так как при каждом перераспределении памяти меж-

дуа пользовательскими программами осуществляется изменение

данных, содержащихся в страничной таблице.

При страничной организации памяти очень важным является ал-

горитм своппирования страниц. Действительно, процессор должен

лподумать какую страницу стоит в первую очередь далить из ОП,

дабы н освободившееся место переписать иза внешней памяти

необходимую в данный момент страницу... Этот вопрос будет под-

робно рассмотрен в з 8.

5. Преимущества и недостатни ВП со страничной организацией.

(Анализ и оценка эффективности СО при рассмотрении преимуществ и недостатков)

Несомненно, применение виртуальной памяти в современных маши-

нах это важнейшее достижениеа как в компьютерной технологии,

так и в максимизации добств создаваемыха для пользователя. Но,

как извесно, каждая система имеет свои преимущества и недостат-

ки. Предлагаю пронализировать суть применения ВП; её слабости

и критерии эффективности, её плюсы и минусы.

Во-первых одним из преимуществ ВП с СО является достаточно

большой объём прямодресуемойа памяти. Действительно объем

памяти может исчислятся сотнями мегабайта (и даже гигабайтами).

Размер виртуальной памяти целиком зависит ота объём накопи-

теля на [жестком] магнитном диске. Созданный SWAP-файл раз-

мещается н диске и эмулирует аоперативную память. При этом

пользователь не задумывается о том куда будет помещен лкусок

его программы с которой он только что отработал. Таким образом,

ещё однима преимуществом ВП с Со является то, что программы

пользователя могута размещаться в любыха свободных страницах.

И наконец, одним из важнейших преимуществ ВП с Со (то, ради

чего, собственно и была изобретена виртуальная память) - повыше-

ние ровня мультипрограммной работы. Как было сказанно выше,

эта цель была одной из самых главных. С организацией ВП с СО

пользователь получила реальную возможность загружать в память

большее количество программ для того чтобы машина обрабатывала

программы сразу (в действительности прцессор станавливает прио-

ритета для каждой программы, находящейся в памяти, и далее в

соответствии са приоритетома выделяета определённое количество

времени н реализациюа каждой программы или команды). Сам

процессора постоянно лзанят - каждый машинный такт выполняет

определённую программу. Метод организации виртуальной памяти

со страничной организацией значительно повысила эффективность

работы с машиной.

У каждого гениального изобретения к сожалению есть свои недос-

татки. Таковые есть и у ВП с СО. Попытаемся пронализировать их.

Основным недостаткома виртуальной памяти пожалуй является то

количество времени, котороеа машина тратит на обращение к внеш-

ней памяти. Извлечь необходимую информацию из ячеек оператив-

ной памяти не представляета особого труда и большиха затрат вре-

мени. Совсем иначе обстоит дело с диском:а для того чтобы найти

необходимую информацию, нужно сначала лраскрутить диск, по-

том найти необходимую дорожку, в дорожке найти сектор, кластер,

далее считать побитовую информацию в ОП. Все это требует време-

ни и, порой если при методе случайного удаления страниц*, про-

цессору понадобятся сразуа несколько страниц, хранящихся во

внешней памяти, большого времени. К сожалению, этот недостаток

принадлежита к видуа лнеисправимых. И если другиеа недостатки, рассмотренные ниже щё можно каким-то образома странить (нап-

римера путем расширения техническиха средств и т. д.), то данный

недостатока не можета быть странёна никоим образом, так как по-

нятие виртуальной памятиа ассоциируется са применениема внеш-

ней памяти (магнитного диска).

Следующий недостатока скорее относится к вопросу о техничес-

кой характеристике компьютера:а наличие сверхоперативной памя-

ти (СОП). Как было сказанно выше, СОП, кака правило, имеет не-

* Методы своппирования страниц рассмотрены в з 8.

большую <ёмкость иа достаточно высокое быстродействие. СОП

используется для хранения правляющей информации, служебных

кодов, также информацииа к которой осуществляется наиболее

частое обращение ва процессе выполнения программы. Этот недос-

таток в работе с ВП к счастью можно ликвидировать. Что касает-

ся технической характеристики - есть ли в микросхемах оператив-

ной памяти дополнительные интегральные схемы, которые являют-

ся запоминающими стройствами СОП?а Если есть, то проблема с

СОП решена, если нет..? Тогда, благодаря достижениям в области

компьютерной технологии, могут использоваться драйверы, резер-

вирующие маленькую область ОП для иммитирования СОП. Итак,

что касается этого недостатка, то, мне кажется, что он не настоль-

ко серьёзен, чтобы о нём беспокоится.

И, наконец третьим недостатком является внутренняя фрагмен-

тация страниц.

6. Сегментно-страничная организация виртуальной памяти

(Структура, функционирование, отличия от ВП с СО, преимущества и недостатки)

При использовании метода сегментно-страничной организации ВП,

пользовательские программы разбиваются на отдельные массивы.

Эти массивы <- независимые частки -а называются сегментами. Сегмента представляета собой единый логический объект, содержа-

щий какую-либо процедуру, массив или набор данных. Как правило информация, содержащаяся ва сегменте, однородная, то есть в

однома сегменте могута находится только служебные коды програм-

мы, другой можета являться сегментом стека, третий содержать

коды связи с объектными (.obj) файлами и т. д.

Каждый сегмент представляет собой последовательность адресов

ота нуля до определённого максимального значения. Отличие сег-

мента от страницы состоит в том, что длинна сегмента может изме-няться в процессе работы.

Сегменты, как и любая структур виртуальной памяти, могут размещаться как в ОП, так и во внешней памяти (магнитных носи-телях). ВП с ССО функционирует подобно ВП с СО:а если требую-

щийся на данный момента сегмент отсутствует в оперативной памя-

ти, то при надобности работы с ним, он предварительно перемеща-

ется в ОП.

Сегментно-страничная организация памяти требует более слож-

нойа аппаратурно-программнойа организации. Рассмотрима кака же осуществляется обращение к Па посредством ССО. По самому названию лсегментно-страничный нетрудно догадаться, что при такома методеа используется кака сегментная, така и страничная таблицы. Это очень похоже н сложноструктурированный метод лпроцедуры в процедуре во многих алгоритмических языках.

Н рисунке 7 подробно показана способа организации ВП с ССО.

дрес ячейки в данном случае складывается из 3-х частей: первая содержит номер самого сегмента (Segment), по этому номеру маши-

н обращается к сегментной таблице. Вторая часть адреса содер-

жита номера искомойа страницы (page), которая находится внутри выбранного сегмента и третья <-а смещение (length), по которому находится требуемый адрес. P, обведенное в двойную рамку пока-зывает математический адрес, Pф - физический. Как и при СО, смещение l переписывается в ячейку физического адреса без изме-нений.

Вверху рисунка, аббревиатурой N обозначен номер какой-нибудь

программы пользователя. А0 с индексом 1 обозначает конкретный начальный адрес сегментной таблицы для данной программы. Сна-

чал берется этот адрес и номера сегмента Sа из регистр матема-тического адреса. Оба этих адреса складываются в сумматоре, ко-

торый изображен в виде обведенного плюса. Получившийся адрес

1а<+ S является входом в сегментную таблицу (изображен в первой колонке сегментной таблицы). Далее, благодаря этому адресу, отыс-кивается соответствующий адрес страничной таблицы (А0ас индек-

сом 2), который в своюа очередь суммируется са номером искомой страницы

щий адреса физической астраницы, процессора определяета место-нахождение этой страницы (включенный бит - страниц находится

в ОП, выключенный - во внешней памяти).

Рис. 7а Сегментно-страничная организация ВП.

Итак, краткое описание функционирования ВП с ССО: с помощью

начального адрес сегментной таблицы и номера сегмента из регист-

р математического адреса (S) образуется адрес-входа в сегментную таблицу в которой находится начальный адрес страничной таблицы.

Ка этому адресу в свою очередь прибавляется номера страницы из

РМА. Эт сумма служит входом ва страничную таблицу, в которой

затем отыскивается адрес искомой физической страницы и, в соот-ветствии са ровнем доступности, процессор либо начинает работать

с этой страницей, либо вырабатываета аппаратурное прерывание и подключаета супервизора, который затем организует ее перепись в

ОП. Если вся ОП будет занята, то супервизор, в соответствии с при-нятым методом (см. з 8), своппирует какую-нибудь страницу.

7. Виртуальная память в современных компьютерах

(ВП в современных машинах, отличия, преимущества...)

Как было сказанно выше, с развитием компьютерных технологий

стали появляться новые перспективы использования персональных

компьютеров. В з 3 помонается о компьютере IntelЩ 486DX4 с такто-

вой частотой 75Mhz, произведенныма фирмой Texasа Instruments. Несомненно, возможностиа этого компьютер огромны. Он комплек-

туется огромныма жестским диском (1.2GB) и имеет 32MB оператив-

ной памяти. Предположим, что эт машина будета использоваться

для разработки космического корабля, робота-хирурга или в области кибернетики. Для этиха целей необходимо использовать лсерьёзное программное обеспечение (скажем, производимое фирмой Silicon Graphicsо), требующее огромного количества оперативной памяти. В такой ситуации даже 32MB может нехватать. В таких ситуациях по-прежнему проявляется тенденция к использованию ВП.

Виртуальная память применяется во многиха программах, операци-

онныха оболочках, коммуникационнома програмнома обеспечении. В

следующих пунктах приведены примеры использования виртуальной памяти в современных компьютерах с различными программами.

Использование ВП в MicrosoftоWindowsЩ 3.1*

Microsoft Windows 3.1а является наиболее популярной операционной оболочкой как среди любителей, так и среди пофессиональных поль-зователей. Windows обеспечивает независимый запуск и выполнение сразуа нескольких программ. Большинство другиха оболочек и опе-рационных система расчитаны н выполнение ва данный момент только одной пограммы. В рамках Windows можно запустить сразу несколько программ. Для этих целей используется ВП.

1. RAM диск (виртуальный, псевдо, электронный диск)а <-а Разновид-

ность виртуальной памяти. Супервизор резервирует для него область EMS или XMS памяти и, такима образом устанавливает диск в памя-

ти. Он работает быстрее, чем реальный физический диск, но при вы-ключении питания его содержимое теряется. Он весьма добен для хранения промежуточной информации в течение одного сеанса рабо-

ты. Но RAM диск не является прямым аналогом ВП.

2. Использование SWAP-файла виртуальной памяти.

Виртуальная память ва оболочке Windows 3.1 используется только в расширенном (extended) режиме. Каковы характеристики компьюте-

ра, работающего с Windowsа в расширеннома режиме?а Она должен иметь 386-ой процессор и минимум 2 мегабайта памяти. Итак вирту-альная память в Windows представляета собой механизм, обеспечива-

ющий расширение адресного пространства за счета дискового прост-

* Рассмотрены компьютеры фирм IBM (PS/2, PentiumЩ, OverDriveЩ)

AcerPowerЩ, NEC, American Megatrends, ZeosЩ, TandyЩ, HP VectraЩ,

Toshiba, Dell, Packard Bellа и другие машины комплектованные про-

цессорами IntelЩа иа CyrixЩ. Машины ЕС, из-за недостатка ОЗУ не

работают в Windows и в данном примере не рассмотрены.

ранства. Реальные ограничения на объем такой виртуализированной оперативной памяти отсутствуют. В физической оперативной памяти

в каждый момент представлена некоторая часть полного виртуально-

го пространства, остальная же часть которого расположена на диске

По мере необходимости, например еслиа пользователю понадобился

следующий фрагмент его программы, который в данный момент нахо-

дится на диске, реальная оперативная память лзагружена до осно-

вания, процессора можета своппировать страницуа оперативной па-

мяти со страницей на диске. (от англ. swap - менять местами). Таким

образом, попросту будета осуществлен перестановк страниц, и та

страница с которой только что работали лотправляется н диск.

В Windows 3.1 возможно несколько вариантов реализации ВП. На ри-

сунке 8 показанно использование двух видов ВП в Windows:а разно-

секторного (temporary)а и перманентного (permanent) swap-файлов

Рис.8а Разносекторное и перманентное применение ВП

Разносекторный (временной) swap-файл

Разносекторный

торов, которые разбросанны по всему диску. Каждый раз когда опера-

ционной среде Windows необходимо подгрузить в память какую-либо

страницу, она должна обратится к разносекторному swap-файлу. Но

неудобство применения атакой разновидности Па заключается в том,

что в конце каждой части этого целого своп-файла стоит пересылка

на другой сектора диска. И пользователь сталкивается c реальной потерей времени при работе с таким видом своп-файлов, так как про-

цессору необходимо лпредставить в памяти целостную картину дан-

ного файл дабы извлечь иза него нужнуюа информацию. Для этого

машина собирает последовательность из этих кусочков и затем анали-

зирует представленный в памяти файл.

Если пользователь выбирает такой вид реализации ВП, то Windows

втоматически создаёта разносекторный

Windows. Обычно этот файл носит название WIN386.SWP. Неудобство такого метода ещё заключается в том, что разносекторный файла (по

другомуа называемый временным) хранит информацию только в про-

должении сеанса работы оболочки, по завершении его автоматичес-

ки даляется. Вот как может быть представленна программа, написан-ная на Паскале в виде разносекторных файлов:

<~pas0c4e.tmp <-а первая страница начинается по адресу 0C4A;

<~pas1158.tmp <-а вторая находится в секторе с номером 1158;

<~pas1b5a.tmp <-а и третья расположена в секторе 1B5A.

В конце каждого.tmp-файла казанна ссылка на другой такой же.

Перманентный (постоянный) swap-файл

Вторая разновидность своп-файлов носита название перманентных

Такой файл занимает значительную часть диска, специально зарезер-

вированную для этих целей. Размер перманентного файла определяет-

ся наличием системных ресурсов, отведенных для работы с Windows

(размером ОП, свободным местом на жестскома диске и дажеа време-

нема доступа к винчестеру). Перманентныйа файла работаета гораздо

быстрее чем разносекторный, так как Windows знает настоящее мес-

тонахождение этого файла и нет необходимости собирать его из час-

тей. Обычно этот файла носит имя 386SPART.PAR или SPART.PAR

Безусловно, если пользователь имеета большой жесткий диск и мало

ОП, то использование перманентного своп-файла более эффективно.

Перменентный файл эмулирует реальную оперативную память и,

поэтому не стирается при выходе из Windows.

анализ и оценка применения разных типов ВП в Windows.

Каждая из разновидностей ВП ва Windows имеет свои преимущества

и недостатки. Временная ВП занимаета место н винчестере только при необходимости, но адля того чтобы выделить или освободить такое место нужно каждый раз тратить время. Суммарное быстро-действие такойа памяти ниже, чем у постоянной ВП. Что касается постоянной ВП, то он быстрее временной, но она также занимает достаточно большое пространство на винчестере, даже если пользо-ватель не обращается к своим программам и приложениям и вообще

не работает в Windows.

Но в целом, виртуальная память играет значительную роль в при-

менении Windows. Как было сказанно ранее, адресное пространство

расширяется засчет объединения ячеек реальной Па с ячейками на

магнитнома диске и при этома размера физической памяти становится

значительно большим. Это немаловажно, так кака Windows очень по-

пулярная операционная среда, доступная кака профессионалу, так и

простомуа пользователю. Размера машинного времени луделяемого

Windows достаточно велик. Вследствие этого различными фирмами

(Microsoftо, Borlandа International, Lotusа Developmentа и т. д.)а было

написанно много программного обеспечения специально для среды

Windows. Так же было разработанно множество профессиональных

пакетов, ориентированныха н математику, статистику, программи-

рование, бухгалтерию и т. д. Вот здесь и нашлось место для приме-

нения виртуальной памяти. Благодаря возможности работы в муль-

типрограммном режиме, огромные массивы информацииа постоянно

находятся в движении. Пользователь можета запустить на выполне-

ние сразу несколько программ, (каждая из которыха требует памяти).

Применение Па значительно увеличиваета объема физическойа па-

мяти и позволяет работать эффективнее.

8. Способы замены (свопирования) страниц

(Механизмы обмена страниц)

Как было помянуто выше, использование ВП подразумевает при-менение магнитного диска на котором хранятся теа страницы или сег-

менты, которые на данный момента не нужны в оперативной памяти.

Метод применения Па довольно прост:а те страницы с которыми по-

льзователь работает в данный момент находятся в памяти машины и

к ним осуществляется непосредственный доступ. Через определённое

время процессору, отработавшему с данной страницей, требуется дру-

гая страница, которая подгружается в память с диска. Страница, с ко-

торой только что отработалиа лвытесняется на диск, ни в коем слу-

чае не ничтожается.

Довольно часто случается так, что вся реальная память, разбитая

на страницы полностью занята. И при необходимости продгрузить но-

вую страницу, супервизора должен установить какую страницу пере-

нести да диск, чтобы освободить место для требующейся. Это доста-

точно сложная задача, така как далённая страниц можета понадо-

биться на следующем этапе, это может привести к потере времени.

Для своппирования страниц в разных программах используются раз-личные стратегии, примеры которых приведены ниже:

1. Случайное даление страниц...

Случайное даление не является самым эффективным способом, так как оно не мо-жет дать стопроцентной гарантии, что только что далённая страница неа понадо-

бится на следующем этапе работы. Случайное удаление осуществляется с помощью

функции случайных чисел. Супервизор попросту берет начальный адрес случайной

страницы ва оперативной памяти и переписывает его в swap-файл (на диск). При

этом корректируется страничная (сегментная) таблица.

2. даление по времени пребывания в ОП...

Механизм этой стратегии можно представить как лпервым вошел, первым вышел.

Это значит, что страница, дольше всех находящаяся в оперативной памяти на дан-

ном этапе будет далена первой. Этот метод также не ниверсален так как каждой

странице отведено определенное время на функционирование, и основное неудобст-

во заключается в том, что необходимо вести механизма чёта з длительностью пребывания страниц в ОП, что также связанно с сложнением структуы и потерей времени.

3. даление в связи с давностью использования...

На мой взгляд, этот метод является наиболее удачным. Механизм его таков: если страница дольше всех находится в ОП, значита пользователь в течение долго вре-

мени не нуждался в ней, значит появляется вероятность, что эта страница не понадобится и на следующем этапе.

4. даление по вероятности использования...

Вероятность использования страницы N очень небольшая, вероятность исполь-

зования страницы M высока. В этом случае, страница N будет далена из памяти.

Этот способ также не представляется мне достаточно эффективным, так как здесь

всёа основанно на вероятности. Но, каждый раз когда мы подбрасываема монету,

неизвестно какой стороной она падёт. Так же и здесь - нет никакой гарантии, что

эта страница не понадобится на следующем этапе.

5. даление по приоритетам...

Этот способ пожалуй является достаточно эффективным, так как страницы даля-

ются по приоритетам. Каждая страница имеет свой приоритет, который станав-

ливается супервизором в соответствии с лважностью программы, находящейся в

определённойа станице. Предположим что в странице Nа находятся коды важной

пользовательской подпрограммы, в странице M - текстовый файл, работа с кото-

рым не является столь важной. Тогда N получает приоритет 1, M, предположим,

9. Заметим, что необходимые, часто требующиеся страницы имеюта приоритеты

1-3, менее необходимые 4-6, и практически ненужные 5-9. Это значит, что когда в следующий раза супервизоруа понадобится далить из ОП страницу, он начнет со страниц, имеющих самый низкий уровень приоритета (9).

9. Анализ и оценка виртуальной памяти. Показатели эффективности.

(При СО и ССО)

Эффективное решение задач на ЭВМ определяется не только ем-

костью и быстродействиема запоминающиха стройств, наличием мо-

щного процессора с большой тактовой частотой, но и организацией и

распределением памяти. Современные компьютеры обладают средст-вами и техническими характеристиками для организации виртуаль-ной памяти.

Применение виртуальнойа памяти получило широкоеа применение

кака среди пользователей-любителей, так и средиа профессионалов.

Основная функция ВП - расширение адресного пространства. ВП

создаётся для величения функциональныха возможностейа компью-

тера, повышения ровней мультипрограммной работы. Объединив,

ячейки реальной оперативной памяти с ячейками н быстродейству-

ющих магнитных носителях, (чаще всего для этих целей используют-

ся винчестеры. Применение НГМД не было бы столь эффективно, а применение НМД или НМБ понесло бы невосполнимые потери), поль-зователь имеет возможность зна-чительно расширить память и при этома не думать о том в лкакой памяти хранится его программа. ВП была созданна для облегчения работы пользователей при размещении программ.

Благодаря Па появилась возможность для более эффективного применения программ-мультитаскерова (multi-tasker) - специальных

пакетов, позволяющих повысить ровень мультипрограммной работы.

(Программы, которые распределяют время процессор и память так, что например связываться по модему, печатать на принтере и обра-батывать текст можно одновременно). В настоящее время, благодаря

применению ВП, силилась тенденция к использованию DeskView

менеджера-мультитаскера (производства фирмы QuatterDeck).

Сравнивая реальнуюа оперативную память с виртуальной, можно отметить, что объема РП ограничен, то есть ва каждой микросхеме

фиксированное число ячеек. Что касается ВП, то он может иметь

достаточно большой объем, ограниченный только местома на адиске

(возможностью адресации). Объема ВП можета достигать нескольких

десяткова и сотен мегабайт. РП имеет линейную структуруа (адреса-

ция в порядке возрастания). ВП использует сквозную адресацию.

В целом, применениеа виртуальной памяти является весомым

вкладом в прогрессировании современныха компьютерных техно-логий и большим шагом в развитии пограммирования, открываю-

щим профессиональному программисту путь к созданию мощныха мультизадачныха систем и комплексов. Применение виртуальной памяти широко оценивается специалистами в компьютерной ме-дицине, научной кибернетике, профессиональнома программиро-вании.

Blog

Анализ и оценка виртуальной памяти ЭВМ при ее сегментно-страничной организации