Добавлен: 20.10.2018
Просмотров: 417
Скачиваний: 6
6. Задача управления основной памятью
Основная память является одним из наиболее важных ресурсов
вычислительной системы. В соответствии с фундаментальными принципами,
сформулированными Джоном фон Нейманом более 60 лет назад,
выполняемые процессором команды и обрабатываемые данные должны
размещаться в основной памяти, занимая выделенные им области. Каждая
команда и каждый элемент данных располагаются в памяти на строго
фиксированных местах, описываемых в машинных командах в виде адресов.
Назначение адресов командам и данным выполняется при трансляции
программы. При разработке программы вместо адресов используются
символические имена, замена которых адресами является одной из основных
задач транслирующих программ (к ним можно отнести и программы-
ассемблеры, переводящие символический код на языке ассемблера в
машинный код). После трансляции адресные взаимосвязи между командами
и данными становятся весьма жесткими. Многие команды в качестве своих
операндов содержат адреса обрабатываемых элементов данных или адреса
других команд. При этом, как правило, важным является не абсолютное
расположение команд и данных в памяти, а их размещение относительно
друг друга. Отсюда возникают две разновидности исполняемого кода,
формируемого трансляторами: абсолютный и перемещаемый код.
Код в абсолютном формате жестко привязан к его будущему
расположению в основной памяти. Такой код вместе со своими данными
может размещаться в памяти, только начиная со строго заданного адреса.
Данный адрес называют адресом загрузки, и меняться он для однажды
созданного кода не может. В этом случае все команды и элементы данных
имеют четко определенные неизменяемые адреса, раз и навсегда (до
следующей перетрансляции) прописанные в операндных частях машинных
команд. Большим достоинством такого кода является высокая скорость его
загрузки в память и выполнения процессором, а большим недостатком –
невозможность изменения адреса загрузки. Поэтому данная разновидность
применяется только в специальных целях, например – при создании
важнейших системных модулей, размещение которых в памяти всегда
неизменно и выполняется только один раз при загрузке системы.
Код в перемещаемом формате, как следует из его названия, может
размещаться в памяти, начиная с любого адреса. В таком коде важнейшим
понятием является расположение команды или элемента данных
относительно начального нулевого адреса – так называемое смещение.
Именно использование смещений вместо абсолютных адресов в операндах
машинных команд позволяет размещать код в любом месте памяти,
поскольку величина смещения НЕ изменяется при изменении адреса
загрузки. Платой за такую гибкость является необходимость выполнения
дополнительной работы при загрузке, связанной с настройкой адресных
операндов на текущий адрес загрузки. Поскольку создаваемые при
трансляции адреса не соответствуют реальному размещению кода в памяти,
их можно назвать виртуальными. Именно этот способ является основным в
настоящее время при создании подавляющего числа программ, особенно
прикладных.
Преобразование виртуальных адресов (ВА) в физические адреса (ФА)
может выполняться в разные моменты времени: либо при загрузке кода в
память, либо непосредственно при выполнении команд процессором.
Первый подход используется, если система не поддерживает механизм
виртуальной памяти. В этом случае специальная системная программа
“перемещающий загрузчик” размещает запускаемый код в памяти по
заданному текущему адресу загрузки и заменяет в командах смещения
реальными физическими адресами. После такой настройки размещенный в
памяти код может выполняться процессором, поскольку все связи между
командами и данными будут иметь свои “законные” значения. Это приводит
к более медленной загрузке, но зато выполнение команд происходит также
быстро, как и для абсолютного кода.
К сожалению, данный метод плохо подходит для многозадачных систем.
Это связано с тем, что современные массовые приложения требуют больших
объемов памяти и за этими запросами не могут угнаться даже постоянно
возрастающие доступные объемы основной памяти. Поэтому одновременное
размещение в памяти кода и данных сразу нескольких таких “монстров” (в
числе которых и сами операционные системы), как правило, невозможно.
Часть кода и данных запущенных программ (как прикладных, так и
системных) хранится на диске, загружаясь в основную память лишь по
необходимости. Поскольку пользователь в условиях “вседозволенной”
многозадачности может переключаться между работающими приложениями
в любом нужном ему порядке, за время существования процесса некоторые
части его кода и данных могут многократно загружаться в память с диска и
перемещаться обратно на диск.
Самое интересное в том, что повторная загрузка кода с диска в память
может выполняться в совершенно разные области! Этот механизм,
известный как виртуальная память, требует хранения кода на диске в своем
“родном” виртуальном виде, т.е. с использованием виртуальных адресов.
Преобразование ВА в ФА в этом случае выполняется в момент
непосредственного обращения процессора по виртуальному адресу, т.е. при
выполнении потока команд. Ясно, что для максимально быстрого
выполнения кода такие преобразования должны выполняться как можно
быстрее, и без аппаратной поддержки здесь обойтись нельзя. Именно
поэтому все основные современные процессоры в своей архитектуре так или
иначе поддерживают механизм преобразования адресов.
Использование виртуальных адресов и виртуальной памяти является
одной из основ построения современных многозадачных (многопоточных)
ОС. Концепция виртуальных адресов в некотором смысле упрощает работу
трансляторов, т.к. уже не надо “думать” о проблеме нехватки памяти.
Решение этой проблемы переходит на уровень ОС. Транслятор создает
машинный код, используя весь возможный диапазон изменения виртуальных
адресов, а какая реальная физическая память будет установлена на
компьютере, где данный код будет выполняться, транслятор “не волнует”.
В связи с этим вводится понятие виртуального адресного пространства
(ВАП) как потенциально возможного диапазона изменения адресов.
Размерность ВАП определяется архитектурой базового процессора (в первую
очередь разрядностью шины адреса) и возможностями ОС. Так, все 32-х
разрядные процессоры обеспечивают ВАП в объеме 2
32
= 4 Гбайт, а
процессоры Pentium IV – и того больше – 2
36
= 64 Гбайт. Процессоры типа
IA-64 обеспечивают уже 2
64
байт. Правда, из этого огромного (пока!) объема
часть адресов отводится на системные нужды (например, около 2 Гб в
системах Windows), но и оставшихся хватит самым “прожорливым”
программам. Ясно, что ВАП значительно больше физического адресного
пространства (ФАП), определяемого объемом установленной на компьютере
памяти, и эта тенденция сохранится в обозримом будущем.
Что касается принципов управления основной памятью, то за время
существования ОС их было создано достаточно много. В настоящее время
наиболее часто используется организация памяти в виде отдельных
фрагментов постоянной (страницы) или переменной (сегменты) длины, а
также их комбинации. При этом в число основных задач управления памятью
включают следующие:
выделение памяти процессам при их создании и освобождение памяти
при завершении процессов;
отслеживание свободной и занятой памяти и динамическое выделение
памяти процессам по их запросам (например, для поддержки
динамических структур данных);
преобразование ВА в ФА при загрузке или исполнении кода;
поддержка механизма виртуальной памяти при взаимодействии с
диском;
защита адресных пространств процессов от воздействия со стороны
других процессов и в то же время поддержка общей разделяемой
памяти.