ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАМЯТИ. ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ - Конспект Лекций, раздел Образование, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ Во Многих Случаях Большие Исполняемые Программы И Структуры Данных Не Удается...
Во многих случаях большие исполняемые программы и структуры данных не удается полностью разместить в ОП, поскольку емкости существующих ОП ограничены. Особенно остро эта проблема стоит в мультипрограммных, многопользовательских системах, выполняющих, грубо говоря, несколько программ одновременно. Естественно, в каждый момент времени ЭВМ выполняет команду какой-то одной программы. Однако всякий раз, когда выполнение процессором некоторой программы приостанавливается из-за необходимости произвести, например, операцию ВВ, процессор переходит к обработке другой, готовой для выполнения программы. При этом предполагается, что одновременно в ОП присутствует несколько программ, которые могут находиться в активном состоянии, состоянии готовности или ожидания. Однако нет принципиальной необходимости в том, чтобы все программы целиком (или одна большая программа) находились в ОП, так как в любой момент времени работа программы концентрируется на определенных, сравнительно небольших участках. Таким образом, в ОП следует хранить только используемые в данный период части программ, а неиспользуемые части (программ или программы) могут храниться во внешней памяти ЭВМ (ВП).
Вводя в ЭВМ свою программу, пользователь не знает, в комбинации с какими программами будет выполняться его программа, какое место в памяти отведет ей операционная система, поэтому при подготовке программ используются условные адреса (подготовка – имеется в виду операция компиляции программы). Позднее, в процессе выполнения программы, операционная система выделяет активным частям программы место в памяти, и условные адреса переводятся в исполнительные. Эта процедура получила название динамического распределения памяти.
Осуществление динамического распределения чисто программным путем привело бы к значительным потерям машинного времени, поэтому для этой цели используются также аппаратные средства.
Наиболее распространенный способ динамического распределения памяти основан на использовании базовых регистров. Операционная система каждой пользовательской программе ставит в соответствие свой базовый адрес. Базовые адреса обрабатываемых программ находятся в общих регистрах процессора. При выполнении программы физический адрес образуется суммированием базового и относительного адресов. При динамическом распределении памяти с помощью базовых регистров программа (или, по крайней мере, та часть ее, адреса которой преобразуются с помощью одного и того же базового адреса) должна располагаться в последовательных ячейках и вводиться в ОП целиком, хотя в ближайшем цикле активности может потребоваться лишь небольшой фрагмент программы.
При рассмотренном способе динамического распределения памяти свободная память может состоять из несвязных областей (фрагментация памяти) и для ввода нужной программы может понадобиться сдвиг содержимого памяти. Это можно проиллюстрировать примером на рис. 9.11.
Первоначально ОП распределяется между программами A, B, C, D. Программы A и D в данный момент наименее активны и могут рассматриваться как кандидаты на удаление во внешнюю память. Если вновь вводимая программа E больше любой из программ A и D, то для ее размещения в памяти необходимо сдвинуть программы B и C "вверх" или "вниз". Это перемещение связано с потерей времени. Более того, в ряде прежних операционных систем такое перемещение требовало выполнения заново операции редактирования связей в программе и новой загрузки программы.
Отмеченные недостатки в распределении ОП отсутствуют в виртуальной памяти со страничной организацией.
Все темы данного раздела:
ЧАСТЬ 3
Настоящий конспект лекций продолжает материал, изложенный в первой и второй частях. Конспект посвящен изучению основ организации и функционирования ЭВМ в целом
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВВ
В каждой ЭВМ применяются особые способы ВВ, различные конфигурации схем и типы устройств. Однако для большинства ЭВМ можно выделить следующие общие принципы:
· Передача данных осуществляет
ПРОГРАММНЫЙ ВВ
В этом режиме все действия, связанные с операциями ВВ, реализуются командами прикладной программы, причем возможны два вида обмена – синхронный и асинхронный, которые целесообразно использовать в
ВВ ПО ПРЕРЫВАНИЯМ
Для сокращения непроизводительных потерь времени процессора за счет циклов ожидания при программном обмене, т.е. когда процессор не может заниматься ничем, кроме программы ВВ, используют обмен по п
ВВ В РЕЖИМЕ ПДП
В этом режиме обмен данными между ПУ и ОП микроЭВМ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа (или прерывающая подпрограмма), а электронные схемы, внешние по отн
ПДП С ЗАХВАТОМ ЦИКЛА
Этот способ ПДП предназначен для обмена короткими блоками информации в виде байта или слова и имеет два варианта:
Вариант 1
В этом случае для обмена использ
ПДП С БЛОКИРОВКОЙ ПРОЦЕССОРА
Этот режим отличается от ПДП с "захватом цикла" тем, что управление системным интерфейсом передается контроллеру ПДП не на время обмена одним байтом, а на время обмена блоком данных. В эт
АДАПТЕР ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА
Передача данных в последовательном формате имеет ряд преимуществ, основным из которых является минимальное качество физических линий (проводников) промежуточного интерфейса. В простейшем случае (на
АДАПТЕР ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА
Передача данных в параллельном формате в общем случае является более высокоскоростной, чем передача в последовательном формате, поскольку все биты символа информации передаются параллельно по време
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
1. На листах ответа должны быть указаны номер группы, фамилия студента и номер его варианта.
2. Номера вопросов выбираются студентом в соответствии с двумя последними цифрами в его зачетно
ТЕГИ И ДЕСКРИПТОРЫ. САМООПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ДАННЫЕ
Одним из эффективных средств совершенствования архитектуры современных ЭВМ является теговая организация памяти, при которой каждое хранящееся в памяти или регистре слово снабжается тегом
ЭВМ RISC-АРХИТЕКТУРЫ
Развитие архитектуры ЭВМ, направленное на повышение их производительности, в последние десятилетия шло по пути усложнения процессоров путем расширения системы команд, введения сложных команд, выпол
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ОБМЕНА ПРОЦЕССОР-ПАМЯТЬ
Вначале очень коротко рассмотрим причины, вынуждающие инженеров непрерывно совершенствовать аппаратную и идеологическую основы процессов обмена данными между процессором и памятью.
Как уже
КОНВЕЙЕР КОМАНД
Более подробно вопросы конвейеризации процесса обработки информации в ЭВМ рассматриваются в последних разделах настоящего курса – "Многопроцессорные системы". Здесь же будут рассмотрены т
РАССЛОЕНИЕ ПАМЯТИ
Известны два основных метода расслоения памяти. Суть этих методов состоит в том, что память строится на основе нескольких модулей. Но в одном случае модули памяти имеют раздельные адр
БУФЕРИЗАЦИЯ ПАМЯТИ
Суть этого метода состоит в том, что между процессором и ОП включаются дополнительные блоки буферных памятей относительно небольшой емкости, но имеющие быстродействие существенно выше, чем ОП. При
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 емко
СЕГМЕНТНО-СТРАНИЧНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ
До сих пор предполагалось, что виртуальная память, которой располагает программист, представляет собой непрерывный массив с единой нумерацией байтов. Такое логическое адресное пространство называют
ЗАЩИТА ПАМЯТИ
Если в памяти одновременно могут находиться несколько независимых программ, необходимы специальные меры по предотвращению или ограничению обращений одной программы к областям памяти, используемым д
МЕТОД ГРАНИЧНЫХ РЕГИСТРОВ
Идея метода состоит в том, что вводят два граничных регистра, указывающих верхнюю и нижнюю границы области памяти, куда программа имеет право доступа. Схема функционирования такой системы защиты из
МЕТОД КЛЮЧЕЙ ЗАЩИТЫ
По сравнению с предыдущим данный метод является более гибким. Он позволяет организовывать доступ программы к областям памяти, расположенным не подряд.
Память в логическом отношении дел
АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ ПАМЯТЬЮ
Будем рассматривать двухуровневую память со страничной организацией, состоящую из оперативной (верхний уровень) и внешней (нижний уровень) памятей. Если при выполнении программы обнаруживается, что
СОПРОЦЕССОРЫ
Расширение диапазона возможного применения процессоров с традиционной фон-неймановской архитектурой привело к тому, что наборы команд МП стали весьма громоздкими. Дальнейшее расширение наборов кома
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
1. На листах ответа должны быть указаны номер группы, фамилия студента и номер его варианта.
2. Номера вопросов выбираются студентом в соответствии с двумя последними цифрами в его зачетно
ЭВОЛЮЦИЯ ШИННОЙ АРХИТЕКТУРЫ IBM PC
В начале настоящего курса (см. гл.1) было показано, что переход от мэйнфреймов к малым ЭВМ (мини и микро) сопровождался существенным упрощением внутренней структуры компьютера, а именно, переходом
ЛОКАЛЬНАЯ СИСТЕМНАЯ ШИНА
Быстродействие ШР первых IBM PC (8 МГц) вполне соответствовало быстродействию процессора I8088, на базе которого они были построены. Между тем для оптимизации процесса обмена между ОП и МП разработ
ШИНА РАСШИРЕНИЯ ISA
Шина ISA (Industrial Standard Architecture) была использована в первых IBM PC, построенных на процессоре I8088, в 1981 г. Она имела 8 линий данных, 20 линий адреса, позволяла адресовать до 1 Мбайта
ШИНА РАСШИРЕНИЯ МСА
Появление 32-разрядного процессора I80386 привело к тому, что 16-разрядная ISA перестала соответствовать возможностям нового поколения МП. Фирма IBM не стала вновь модернизировать шину ISA, а разра
ШИНА РАСШИРЕНИЯ EISA
Стандарт EISA (Extended Industry Standard Architecture) появился в 1988 году в ответ на разработку фирмой IBM шины МСА и требование ее лицензировать (см. п. 10.2.2). Конкуренты сочли излишним п
ЛОКАЛЬНЫЕ ШИНЫ РАСШИРЕНИЯ
Рассмотренные выше разновидности ШР (ISA, MCA, EISA) имеют общий недостаток – сравнительно низкое быстродействие. Быстродействие и разрядность процессоров и микросхем памяти (а следовательно, и лок
ЛОКАЛЬНАЯ ШИНА VESA (VLB)
В своем первоначальном варианте слоты локальной шины использовались почти исключительно для установки видеоадаптеров. К концу 1992 года было разработано несколько локальных шин. Исключительными пра
ЛОКАЛЬНАЯ ШИНА PCI
В начале 1992 года на фирме Intel была организована группа, перед которой была поставлена задача разработать новую шину. В результате в июне 1992 года появилась шина PCI (Peripheral Component Inter
CHIPSET
ChipSet – это набор или одна микросхема, на которую и возлагается основная нагрузка по обеспечению центрального процессора данными и командами, а также, по управлению периферией, как-то: видеокарты
РАЗНОВИДНОСТИ СЛОТОВ
Слотом называются разъемы расширения, расположенные на материнской плате (на картинке слева). Они бывают следующих типов: ISA, EISA, VLB, PCI, AGP.
ISA (Industry Standard Architectu
ТИПЫ РАЗЪЕМОВ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ
На данный момент существует также несколько типов разъемов для установки оперативной памяти. Такие
Режимы работы параллельного LPT порта
SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт) осуществляет 8-разрядный вывод данных с синхронизацией по опросу или по прерываниям. Максимальная скорость вывода – около 80 Кбай
РАЗЪЕМЫ ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИСКОВЫХ УСТРОЙСТВ
FDD (Floppy Disk Drivers – накопитель на гибких магнитных дисках) конструктивно представляет собой 12х2-контактный игольчатый разъем с возможностью подключения двух дисководов. Устройство, п
РАЗЪЕМЫ ПРОЦЕССОРОВ
Собственно говоря, процессор как раз то устройство, которое производит все вычисления и управляет всеми контроллерами. Так как же определить, какой процессор вы сможете поставить в ту материнскую п
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
1. На листах ответа должны быть указаны номер группы, фамилия студента и номер его варианта.
2. Номера вопросов выбираются студентом в соответствии с двумя последними цифрами в его зачетно
СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ДОСТУПА К СИСТЕМНОЙ МАГИСТРАЛИ
Конкретные варианты процедур доступа ведущих устройств к магистрали (организации каналов ПДП) в различных ЭВМ очень разнообразны. Между тем существуют некоторые общие принципы их реализации. В обще
ВОЗМОЖНЫЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ ПДП
Конкретные технические реализации систем ПДП имеют множество вариантов. Они зависят от типа системной магистрали, архитектуры ЭВМ в целом, типа используемого процессора, целевого назначения ЭВМ, ко
ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА В РЕЖИМЕ ПДП
Использование любого варианта ПДП порождает ряд проблем, связанных с использованием общей магистрали несколькими устройствами. Даже при использовании простейшего варианта ПДП (slave DMA), который и
ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ СРЕДСТВ ПДП
Любой способ организации обмена в режиме slave DMA предполагает инициализацию контроллера со стороны процессора. Для этого, как уже отмечалось, перед началом обмена с ПУ в режиме ПДП процессор долж
РАДИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА (SLAVE DMA)
В соответствии с рис. 11.1, а все запросы от ИЗПД поступают в арбитр магистрали контроллера ПДП и в общем случае фиксируются там каким-либо образом, например аналогично тому, как это делается в кон
РАДИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА (BUS MASTER DMA)
В соответствии с рис. 11.1, б все запросы от ИЗПД поступают в арбитр магистрали (контроллер ПДП отсутствует) и в общем случае фиксируются там каким-либо образом, например аналогично тому, как это д
ЦЕПОЧЕЧНАЯ СТРУКТУРА (BUS MASTER DMA)
В соответствии с рис. 11.2 к каждой ШАр (входу арбитра) может быть подключено множество запросчиков ИЗПД. Сигнал РПД распространяется по цепочке ИЗПД, подключенных к одной ЛЗПД (к одной ШАр). Распр
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ АРБИТРАЖА МАГИСТРАЛИ
Нормальное функционирование системы ПДП любой структуры очень во многом зависит от правильного выбора дисциплины обслуживания устройств магистрали, т.е. от правильного выбора системы приоритетных с
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
1. На листах ответа должны быть указаны номер группы, фамилия студента и номер его варианта.
2. Номера вопросов выбираются студентом в соответствии с двумя последними цифрами в его зачетно
Новости и инфо для студентов