Тема 12.Виртуальная память

• Идея: создать иллюзию наличия большого количества памяти

• Первая реализация — ЭВМ Atlas, 1960

• Новое адресное пространство — пространство виртуальных адресов, виртуальное адресное пространство

• Устройство управления памятью (MemoryManagementUnit, MMU) преобразует адреса виртуального пространства в адреса физического пространства

Динамическая трансляция адресов

• Искусственная непрерывность памяти

• Требуется хранить карту трансляции адресов

• Проблема: карта трансляции не входит в оперативную память

Блочное размещение

• Решение: группировать адреса в блоки

• Проблема: какой размер блока выбрать?

• Проблема: должны ли все блоки быть одинакового размера?

• Два подхода:

  • Страничная организация

  • Сегментная организация

Страничная организация

• Вся виртуальная и физическая память разбиваются на блоки одинакового размера

• Адрес данного -> [номер страницы p, смещение d]

• p -> p'

• p' * p_s . d = r

• Не требуется хранить в памяти все страницы, принадлежащие процессу

• Усложнение механизма трансляции адресов

• Генерация страничного прерывания (pagefault) при отсутствии страницы в памяти

• Хранение таблицы размещения страниц, состоящая из записей страничной таблицы (PageTableEntry)

Запись таблицы страниц

• Бит резидентности

• Адрес во вторичной памяти

• Базовый адрес физической страницы

Способы трансляции адресов

• Прямое отображение

• Ассоциативное отображение

• Смешанное отображение

• Многоуровневые (иерархические) таблицы

• Обращённые таблицы

Прямое отображение

• Адрес данного -> [номер блока b, смещение d]

• Регистр адреса таблицы размещения a

• a + b -> b'

• b' . d -> r

• Простота

• Таблица получается большой

Ассоциативное отображение

• Применение ассоциативной памяти

• p -> p'

• p' . d -> r

• Скорость

• Дороговизна

Прямое/ассоциативное отображение

• Применение аппаратного ассоциативного буфера быстрой трансляции (TranslationLookasideBuffer, TLB) в качестве кэша PTE

• Компромисс между скоростью работы и стоимость решения

Многоуровневые (иерархические) таблицы

• Позволяют хранить в памяти только часть общей таблицы

• Адрес данного -> [адрес в таблице верхнего уровня p, адрес в таблице нижнего уровня t, смещение d]

• a + p -> b, b + t -> p', p' . d -> r

• Уменьшение фрагментации таблиц

• Возможно замедление работы

Обращённые таблицы

• Хранение одного PTE для каждой физической страницы

• Применение хэш-таблиц

• Фиксированный размер таблицы трансляции

• Необходимо отдельно хранить список нерезидентных страниц

• Возможно снижение скорости

• Возможно применение дополнительной якорной хеш-таблицы

Сегментная организация

• Код и данные программы делятся на блоки нужного для них размера

• Адрес данного -> [Номер сегмента s, смещение d]

• Генерация сегментного исключения при отсутствии сегмента в памяти

Запись таблицы сегментов

• Бит резидентности

• Адрес во вторичной памяти

• Длина сегмента

• Биты защиты

• Физический базовый адрес сегмента

Трансляция прямым отображением

• Регистр начала сегментной таблицы b

• b + s -> s'

• s' + d -> r

Разделение памяти при страничной организации

• Пометка каждой страницы как разделяемой или неразделяемой

• Копирование при записи (Copy-on-Write)

• Бит чтения/записи в PTE

Разделение и защита памяти при сегментной организации

• Пометка каждого сегмента как разделяемого или неразделяемого

• Присваивание каждому процессу ключа защиты

• Хранение прав доступа в STE — RWEA

• RWEA -> режимы доступа

Сегментно-страничная организация

• Разбиение сегментов на страницы

• Адрес данного -> [Номер сегмента s, номер страницы p, смещение d]

• Сегмент можно не загружать в память целиком

Трансляция смешанным отображением

• Поиск s,p в TLB -> p'

• Иначе:

  • a + s -> s'

  • s' + p -> r'

  • r' + d -> r

• Чем больше таблиц хранится в памяти, тем меньше степень мультипрограммирования и тем ниже быстродействие

Разделение и защита при смешанной организации

• Разделение — как при страничной организации

• Защита — как при сегментной организации

Управление виртуальной памятью

• Стратегии загрузки

  • Загрузка по требованию

  • Предварительная загрузка

• Стратегии замены

  • Случайная замена

  • FIFO

  • LRU

  • LFU

  • NRU

Загрузка по требованию (ondemand)

• Сначала загружается страница с первой инструкцией процесса

• Другие страницы загружаются по мере обращения к ним

• Возможно повышение степени мультипрограммирования

• Ожидание при загрузке каждой страницы

• Пространственно-временной показатель

Предзагрузка (prefetch, anticipatory)

• Предугадывание необходимых страниц

• Возможно ускорение работы системы

• Возможно замусоривание памяти ненужными страницами

• Совмещение загрузки по требованию и предзагрузки