Добавлен: 20.10.2018
Просмотров: 328
Скачиваний: 5
9. Сегментная организация памяти
В отличие от страниц сегмент – это фрагмент адресного пространства
переменной длины. Размер сегмента определяется транслятором исходя из
его логического назначения. Например, сегмент с кодом главной
программы, сегмент с набором подпрограмм, сегмент с обрабатываемыми
данными. Это позволяет при создании программы разбить все ВАП на
фрагменты-сегменты строго в соответствии с их ролью. Число одновременно
поддерживаемых сегментов и их максимальный размер определяются
архитектурой процессора и особенностями ОС. Так, в системе MS DOS
можно было использовать одновременно до 4 сегментов длиной не более 64
Кб, тогда как в Windows размер отдельного сегмента может доходить до 4
Гб.
При создании машинного кода транслятор рассматривает сегмент как
относительно самостоятельную единицу, начиная отсчет величины смещения
для каждого сегмента с нуля. Другими словами, назначение адресов
командам и данным внутри сегмента выполняется независимо от других
сегментов. Программа представляет собой набор независимых сегментов
разной длины. Каждому сегменту присваивается порядковый номер.
Виртуальный адрес команды или элемента данных задается номером
сегмента и смещением относительно начала сегмента:
ВА = (сегмент, смещение).
При запуске программы на выполнение система на основе информации,
хранящейся в исполняемом файле, пытается загрузить в память все сегменты
процесса. Для этого для каждого сегмента в памяти надо найти подходящее
по размеру свободное место. В многозадачных системах в условиях
интенсивного использования памяти многими процессами эта задача
становится весьма важной и непростой, поскольку размеры всех сегментов
разные и заранее непредсказуемые.
Система постоянно должна вести учет занятой и свободной памяти.
Например, можно создать два динамических списка: один содержит данные о
занятых участках памяти, другой – о свободных. Каждый элемент списка
должен содержать начальный адрес области памяти и ее размер. Списки
могут быть упорядочены либо по возрастанию, либо по убыванию
размеров областей. В первом случае поиск свободной области выполняется
до тех пор, пока не будет найден минимально подходящий фрагмент, т.е.
первый по порядку фрагмент, больший затребованного. Во втором случае
самый большой фрагмент находится в начале списка, и если его размер
больше затребованного, его можно выбрать для размещения. Этот, в какой-то
степени неестественный, способ на практике показал себя лучше всех.
Если ни одного подходящего по размеру свободного фрагмента нет, то
система может выполнить одно из следующих действий:
провести дефрагментацию памяти, т.е. переместить все размещенные
в памяти сегменты в начальные адреса строго друг за другом для
устранения относительно небольших свободных “дыр” между
фрагментами; эта операция достаточно трудоемкая и требует остановки
всех прикладных процессов;
вытеснить на диск какой-либо фрагмент, исходя из двух условий:
размер фрагмента должен быть достаточным для размещения нового
сегмента и фрагмент должен быть минимально используемым.
В любом случае, при запуске процесса система строит для него таблицу
сегментов как набор записей-дескрипторов, содержащих для каждого
сегмента следующие данные:
начальный физический адрес области памяти, в которую загружается
сегмент;
размер сегмента;
признак присутствия сегмента в памяти;
управляющая
информация,
необходимая
для
определения
вытесняемого на диск сегмента (признак модификации, частота
использования);
права доступа к сегменту (только чтение, только выполнение, чтение и
запись).
Таблицы сегментов процессов сами оформляются как сегменты, обычно
размещаемые в системной части основной памяти, куда доступа прикладным
процессам нет. Начальный адрес сегмента, содержащего таблицу сегментов
активного процесса, хранится в специальном регистре процессора. При
переключении процессов это значение заменяется новым, а старое
сохраняется в контексте процесса. Состояние основной памяти в некоторый
момент времени схематично представлено на следующем рисунке.
Преобразование адресов при сегментной организации памяти выполняется
следующим образом:
из ВА извлекается номер сегмента, по которому производится вход в
таблицу сегментов;
в выбранной записи-дескрипторе проверяется признак присутствия
сегмента в памяти;
. . . неиспользуемый фрагмент . . .
второй сегмент кода процесса 1
сегмент данных процесса 2
. . . неиспользуемый фрагмент . . .
сегмент кода процесса 2
первый сегмент кода процесса 1
сегмент данных процесса 1
. . . неиспользуемый фрагмент . . .
сегменты с кодом модулей ядра системы
сегменты с системными данными
таблица сегментов процесса 1
таблица сегментов процесса 2
пользовательская
область
системная
область
если сегмента в памяти нет, генерируется прерывание, обработчик
которого выполняет поиск и загрузку затребованного сегмента с
вытеснением при необходимости “лишнего” сегмента на диск;
проверяется
возможность
выполнения
текущей
команды
в
соответствии с правами доступа, установленными для сегмента; если
выполнение
команды
запрещено,
генерируется
специальное
прерывание;
из ВА извлекается смещение и сравнивается с длиной сегмента: если
смещение больше длины сегмента, также генерируется прерывание ;
если все нормально, то из дескриптора сегмента извлекается начальный
адрес сегмента, который складывается со смещением, и тем самым
определяется физический адрес команды или элемента данных.
Достоинствами сегментной организации являются:
логическое разбиение кода и данных на фрагменты-сегменты;
простота реализации доступа разных процессов к одному и тому же
общему (разделяемому) сегменту;
относительно небольшие накладные расходы на поддержку таблиц
сегментов (число сегментов значительно меньше числа страниц).
Недостатки сегментной организации:
более сложное преобразование ВА в ФА, требующее выполнения
операции сложения;
высокая фрагментация памяти;
обмен с диском на уровне достаточно больших сегментов.