ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ - Конспект Лекций, раздел Образование, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ Принцип Виртуальной Памяти Предполагает, Что Пользователь При Подготовке Свое...
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.
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
ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАМЯТИ. ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ
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 мультипрог
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