Добавлен: 20.10.2018
Просмотров: 947
Скачиваний: 4
10. Сегментно-страничная организация памяти
Данный способ введен для совмещения достоинств сегментной и
страничной организации. В целом, способ похож на двухуровневую
страничную организацию: ВАП представляется как набор виртуальных
сегментов (ВС) переменной длины, а каждый ВС разбивается на страницы
фиксированной длины. Все ВС находятся в одном ВАП и нумеруются
целыми числами. Каждый ВС имеет свой начальный адрес в ВАП и свой
размер. Тогда ВА команды или элемента данных определяется номером ВС и
смещением относительно его начала.
При создании процесса система строит таблицу виртуальных сегментов
как набор записей-дескрипторов стандартного вида:
виртуальный адрес начала сегмента в ВАП процесса;
права доступа к сегменту;
управляющая информация о сегменте, в частности – размер сегмента.
Эта таблица позволяет выполнить первый этап трансляции адресов:
преобразовать начальный ВА в промежуточный ВА следующим образом:
из ВА извлекается номер ВС, по которому производится вход в
таблицу ВС;
сравниваются заданное в ВА смещение и размер ВС, при
необходимости генерируется прерывание;
ВА сегмента 0
виртуальный
сегмент 0
виртуальный
сегмент 1
виртуальный
сегмент 2
объект
ВА сегмента 1
ВА сегмента 2
смещение
относительно
начала ВС 2
проверяется возможность выполнения операции в соответствии с
правами доступа, установленными для сегмента, и при необходимости
генерируется прерывание;
если все нормально, то сложением ВА начала сегмента со смещением
вычисляется промежуточный ВА (но пока НЕ физический адрес!).
После этого начинается второй этап преобразования, использующий уже
страничный механизм. Все ВАП, как и физическая память, разбиты на
страницы, обычно по 4 Кб каждая. Страницы пронумерованы сквозной
нумерацией. Полученный на первом этапе промежуточный ВА разбивается
на 2 части: номер страницы и смещение относительно страницы. При
использовании 32−х разрядных адресов и 4−х килобайтных страниц младшие
12 разрядов промежуточного ВА определяют смещение, а старшие 20
разрядов – номер виртуальной страницы. Для каждого процесса система
строит таблицу страниц стандартной структуры. Преобразование также
выполняется стандартным образом:
из промежуточного ВА извлекается номер виртуальной страницы, по
которому производится вход в таблицу страниц;
проверяется присутствие страницы в памяти и при необходимости
генерируется страничное прерывание с выполнением всех стандартных
действий;
при необходимости проверяется доступность выполнения запрошенной
операции с генерацией соответствующего прерывания;
если все в порядке, номер виртуальной страницы заменяется номером
соответствующей ей физической страницы и тем самым формируется
искомый адрес.
Аналогично обычной страничной организации, недостатком данного
способа является необходимость поддержки для каждого процесса большой
по размеру таблицы страниц (около 4 Мбайт). Поэтому в некоторых
процессорных архитектурах, и в частности – в процессорах Intel Pentium,
предусматривается двухшаговая трансляция промежуточного ВА в ФА с
помощью промежуточных разделов, которая полностью соответствует
описанной ранее схеме. В этом случае промежуточный ВА, полученный на
первом этапе с помощью сегментного механизма, разбивается уже на ТРИ
составляющие: номер раздела, номер страницы в разделе и смещение на
странице.
В целом, вместе с сегментным механизмом здесь уже получается
трехуровневая схема преобразования адресов: сегмент -> раздел ->
страница. Конечно, это существенно усложняет архитектуру базового
процессора, но дает гибкость в реализации разных механизмов управления
памятью. Так, процессоры семейства Intel, реализующие именно
трехуровневую сегментно-страничную организацию, позволяют при
необходимости отключать те или иные составляющие. Можно отключить
страничный механизм, получив тем самым чистую сегментную организацию.
Наоборот, можно как бы выключить сегментный механизм, если реализовать
код и данные процесса в одном единственном сегменте размером 4 Гб. Этот
способ наиболее популярен в настоящее время и часто называется “плоской
(flat) моделью памяти”. Полный трехуровневый сегментно-страничный
механизм требует весьма серьезных затрат и поэтому реализуется редко, в
основном – на мощных компьютерах.
Преимущества сегментно-страничной организации памяти:
возможность использования общих (разделяемых) сегментов;
разграничение прав доступа к сегментам;
отсутствие фрагментации памяти за счет ее распределения небольшими
страницами;
высокая эффективность обмена с диском на страничном уровне.
Недостаток – существенно более громоздкая схема преобразования
адресов, требующая хорошей аппаратной поддержки. Частично этот
недостаток устраняется использованием механизма кэширования, когда в
сверхбыстрой кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые
дескрипторы сегментов и страниц, обращение к которым не требует
обработки соответствующих таблиц.
Многозадачная ОС, помимо всего, должна обеспечивать реализацию двух
в некоторой степени противоречивых возможностей. С одной стороны,
необходимо защищать код и данные процесса от воздействия со стороны
других процессов. Но в то же время весьма часто разным процессам
требуется доступ к одним и тем же областям памяти.
Одним из основных механизмов защиты памяти процессов является
создание для каждого процесса своих таблиц сегментов или страниц, к
которым нет доступа для кода других процессов. При переключении
активного процесса происходит и переключение дескрипторных таблиц.
Сами эти таблицы оформляются как системные сегменты, располагаются в
системной области памяти и обрабатываются системными модулями.
Любая деятельность процесса, выходящая за рамки использования своих
“родных” сегментов, должна контролироваться системой. Необходимость
использования общей или разделяемой памяти (shared memory) объясняется
двумя факторами:
процессам может понадобиться обработать общую структуру данных,
которую в этом случае надо оформить как разделяемый сегмент
данных;
код разных процессов может обращаться к одному и тому же коду
(например, к стандартным программам), для которого также система
должна создать общий сегмент.
Независимо от типа сегмента (код или данные), для доступа к ним со
стороны разных процессов система должна выполнить соответствующую
настройку дескрипторных таблиц процессов. Чаще всего, разделяемые
сегменты размещаются в системной области памяти, а настройка таблиц
состоит в том, что физический адрес начала сегмента или номер физической
страницы в разных таблицах одинаков. В этом случае преобразование ВА в
ФА для разных процессов дает доступ к одной и той же области памяти.
Поскольку процесс может использовать разные по типу сегменты
(собственные локальные и общие), то дескрипторы сегментов или страниц
должны содержать специальный флаг-признак. Общие сегменты являются
разделяемым ресурсом, и система должна управлять ими как любым
подобным ресурсом. Для этого создается специальная таблица, в которой
система собирает всю необходимую информацию: какие общие сегменты
предоставлены каким процессам и с какими правами доступа.
В качестве примера можно привести реализацию механизмов управления
памятью в процессорах семейства Intel. Для каждого процесса создается своя
Локальная Таблица Дескрипторов (LDT, local descriptor table),
определяющая локальное адресное пространство процесса. В каждый момент
времени процессор использует одну из таких таблиц, соответствующую
активному процессу. На расположение активной LDT в памяти указывает
специальный регистр LDTR, содержимое которого можно менять только
специальными командами, доступными только в привилегированном режиме
работы процессора.
Кроме множества таблиц LDT, создается единственная Глобальная
Таблица Дескрипторов (GDT), определяющая области памяти, используемые
локальные сегменты процесса 1
локальные сегменты процесса 2
. . . . . . . . .
общий сегмент для процессов 1 и 2
адрес локального сегмента
адрес общего сегмента
признак
адрес локального сегмента
адрес общего сегмента
признак
системный сегмент с
таблицей сегментов
процесса 1
системный сегмент с
таблицей сегментов
процесса 2
пользовательская
область памяти