Добавлен: 20.10.2018
Просмотров: 415
Скачиваний: 6
8. Двухуровневая страничная организация
Двухуровневая страничная организация вводится для устранения одного
из недостатков простой страничной организации – больших затрат памяти на
хранение таблиц страниц процессов. Правда, платой за это является
некоторое усложнение преобразования ВА в ФА. Основная идея
двухуровневой организации совершенно очевидна: разбить одну очень
большую таблицу страниц на множество более мелких.
Для этого ВАП разбивается на достаточно крупные разделы, а разделы –
на обычные страницы. Все разделы нумеруются от 0 до некоторого М, а
страницы внутри раздела - от 0 до N. Виртуальный адрес будет состоять не
из двух, а уже из трех частей: номер раздела, номер страницы в разделе,
смещение на странице. Конкретное число разделов в ВАП и число страниц в
разделе зависят от архитектуры базового процессора и типа ОС. Например,
32-х разрядный адрес можно разбить следующим образом:
старшие 10 битов – номер раздела в ВАП (всего разделов будет 1024);
средние 10 битов – номер страницы в разделе (число страниц тоже
1024);
младшие 12 битов – как обычно, смещение адреса на странице (от 0 до
4095).
0
11
12
31
номер раздела
номер страницы
смещение
21
22
Тем самым, все ВАП структурируется следующим образом:
страница 0
страница 1
. . . . . . . .
страница 1023
страница 0
страница 1
. . . . . . . .
страница 1023
страница 0
страница 1
страница 2
. . . . . . . .
страница 1023
В этом случае для каждого процесса надо создать одну таблицу разделов и
1024 таблицы страниц отдельно для каждого раздела. Таблица разделов
содержит записи-дескрипторы с информацией о каждом разделе, а каждая
таблица страниц, как обычно – записи-дескрипторы для каждой страницы.
При этом возникает следующая интересная особенность. Если одна запись в
таблице страниц содержит 4 байта (этого вполне достаточно для хранения
номера физической страницы и дополнительной управляющей информации),
то на всю таблицу страниц надо 4 Кбайта памяти, т.е. ровно ОДНУ страницу
памяти! Для хранения всех таблиц страниц процесса требуется 1024
страницы, но бjльшую их часть можно выгрузить на диск, освободив место
для других целей. А вот относительно небольшую таблицу разделов (тоже
примерно 4 Кб) надо постоянно хранить в основной памяти. Начальный
адрес этой таблицы для активного в данный момент процесса хранится в
специальном регистре и изменяется при переключении процессов.
Каждая запись-дескриптор таблицы разделов содержит следующие
данные:
номер физической страницы, в которую загружена таблица страниц для
данного раздела;
признак присутствия этой страницы в памяти;
0
4 Мб
8 Мб
раздел 1023
4 Гб
дополнительная управляющая информация, аналогичная обычной
страничной организации.
Схематично взаимосвязь таблицы разделов и таблиц страниц можно
представить следующим образом.
. . .
Таблица разделов и необходимые таблицы страниц создаются
подсистемой управления памятью при создании процесса, при этом
некоторые таблицы страниц могут быть вытеснены на диск. Алгоритм
преобразования ВА в ФА выглядит так:
Этап 1 – обработка таблицы разделов:
o
из ВА выделяется номер раздела и выполняется вход в таблицу
разделов;
o
в записи-дескрипторе проверяется признак присутствия
страницы с таблицей страниц в памяти;
o
если эта страница отсутствует в памяти, генерируется страничное
прерывание, на диске отыскивается запрошенная страница,
выполняется ее загрузка в память с вытеснением при
необходимости какой-нибудь страницы на диск и установкой
признаков присутствия.
Этап 2 – обработка таблицы страниц:
номер
раздела
ФС с
табл.
страниц
признак
присут.
доп.
упр.
инф.
0
25078
1
1
3579
1
2
0
3
123456
1
. . .
. . .
. . .
. . .
1023
0
таблица разделов процесса
номер
ВС
номер
ФС
призн.
присут.
доп.
инф.
0
5
1
1
3
1
1023
8
1
номер
ВС
номер
ФС
призн.
присут.
доп.
инф.
0
507
1
1
7802
0
1023
13247 0
ФС 25078
с таблицей
страниц
раздела 0
ФС 3579
с таблицей
страниц
раздела 1
o
из ВА выделяется номер затребованной процессором
виртуальной страницы, по которому выполняется вход в
найденную на 1 этапе таблицу страниц;
o
анализируется запись-дескриптор для затребованной страницы и
проверяется ее присутствие в памяти;
o
если страницы нет в памяти, то с помощью еще одного
страничного прерывания выполняются ее поиск и загрузка в ОП
с вытеснением при необходимости одной из страниц;
o
из таблицы страниц извлекается номер ФС, который вместе со
смещением определяет искомый ФА.
Схематично это можно представить следующим образом:
Из алгоритма видно, что двухуровневая схема требует большего числа
операций для преобразования адресов, поэтому большое значение для ее
эффективной реализации имеет выполнение некоторых операций на
аппаратном уровне. В принципе, программная реализация необходима в
основном для обработки страничных прерываний, а собственно само
преобразование адресов можно реализовать с помощью логических схем.
Кроме того, многие процессоры позволяют еще более ускорить это
преобразование за счет сохранения часто используемых дескрипторов
страниц в сверхбыстрой кэш-памяти (более подробно использование кэш-
памяти рассматривается далее в пособии).
адрес таблицы
разделов
регистр процессора
. . . . . . . . . .
номер ФС с
таблицей страниц
раздела
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
номер ФС с
затребованным
кодом
. . . . . . . . . .
номер ФС
смещение
физический адрес
таблица разделов процесса
таблица страниц раздела
В заключение еще раз отметим достоинства и недостатки двухуровневой
страничной организации памяти. Достоинства:
возможность быстрого формирования ФА только с помощью
поразрядных операций;
полное отсутствие фрагментации основной памяти за счет выделения
ее процессам небольшими страницами ;
относительно небольшие накладные расходы на поддержку
необходимых структур данных (таблиц разделов и таблиц страниц) с
возможностью вытеснения их на диск.
Недостатки:
сохраняется жесткое фиксированное разделение кода и данных
программы на разделы и страницы без учета логической структуры
программы;
возможное большее число страничных прерываний;
достаточно сложная реализация механизма общей (разделяемой)
памяти для разных процессов.
Частично недостатки страничной организации устраняются за счет
использования сегментов, правда – за счет появления своих недостатков.