Страничная организация памяти

Страничная организация памяти основана на том, что физическое и виртуальное адресные пространства разбиваются на фрагменты постоянной длины. Размер страницы выбирается кратным степени 2, т.к. это позволяет максимально просто выполнять преобразование ВА в ФА на аппаратном уровне. Наиболее распространенный размер страницы равен 212 = 4096 байт. Все страницы нумеруются от 0 до N. Тем самым ВАП состоит из 232 / 212 = 220 = 1 Мбайт страниц, а число реальных физических страниц зависит от размера установленной памяти.

Так, для объема основной памяти 128 Мб получим 32 Кбайт страниц. Можно сказать, что страница – это просто некоторый диапазон адресов: страница 0 определяет адреса от 0 до 4095 (или 0FFFh), страница 1 – от 4096 до 8191 (или от 1000h до 1FFFh), страница 2 – от 8192 до 12287 (от 2000h до 2FFFh) и т.д. Видно, что номер страницы однозначно определяет соответствующий этой странице диапазон адресов.

При создании транслятором исполняемого машинного кода назначение виртуальных адресов командам и элементам данных начинается с нулевой страницы и идет в порядке следования страниц. Каждый виртуальный адрес задается номером страницы Nv и смещением Sv относительно начала страницы: ВА = (Nv , Sv).



Если размер страницы равен 4096 байт, то смещение для любой страницы будет принимать значения от 0 до 4095. Тем самым полный 32-х разрядный виртуальный адрес разбивается на две составляющие: младшие 12 разрядов (т.е. 3 полубайта) определяют смещение на странице, а старшие 20 разрядов (5 полубайтов) определяют номер страницы. Например, виртуальный адрес 002A4C38 разбивается следующим образом



Поскольку ВАП и ФАП разбиты на страницы совершенно одинаково, замена ВА на ФА сводится только к замене номера страницы, смещение при этом остается неизменным! Это является важнейшим преимуществом страничной организации и одной из основных причин столь высокой популярности этого способа организации памяти в современных ОС. Замена номера страницы в виртуальном адресе сводится к действиям с отдельными битами и чрезвычайно эффективно выполняется на аппаратном уровне.

Такой подход позволяет отображать любую виртуальную страницу на любую физическую. Это приводит к исключительно эффективному использованию основной памяти и эффективной реализации механизма виртуальной памяти. Для того чтобы процессор мог выполнить преобразование адресов, ему необходима информация о соответствии виртуальных и физических страниц: в какую физическую страницу отображена данная виртуальная страница. Для этого система для каждого процесса строит специальную таблицу страниц. Каждая запись в этой таблице называется дескриптором страницы и обычно содержит следующие данные:

• номер назначенной физической страницы;
• признак присутствия данной страницы в основной памяти;
• признак модификации страницы, отслеживающий наличие изменений в данной странице за время ее присутствия в основной памяти;
• признак обращения к странице, необходимый для отслеживания частоты обращений к странице;
• код доступа к странице для организации механизма защиты.

Входом в таблицу страниц является номер виртуальной страницы, содержащийся в виртуальном адресе. Таблица строится при запуске программы, т.е. в момент создания процесса, и является одной из важнейших структур, связанных с процессом. Если процесс реализует внутри себя дополнительные потоки, то все они используют одну и ту же таблицу страниц, разделяя тем самым одно и то же адресное пространство.

Поскольку для каждого процесса создается своя таблица страниц, появляется возможность организовать защиту адресных пространств процессов. Процесс может манипулировать только своими страницами. Если нескольким процессам надо использовать общие данные, то для этого система создает общие или разделяемые страницы. Начальный адрес размещения таблицы страниц активного процесса содержится в специальном системном регистре процессора, недоступном для прикладных программ. При переключении процессов система заменяет содержимое этого регистра, тем самым включая в работу новую таблицу страниц.

Если при запуске процесса в основной памяти нет достаточного количества свободных страниц, чтобы разместить весь код и данные, то загружается только часть страниц, остальные сохраняются на диске и в таблице страниц помечаются как отсутствующие. При необходимости любая отсутствующая страница может быть загружена в память с назначением ей свободной физической страницы. Наоборот, система может вытеснить на диск часть или даже все страницы процесса. Такой обмен страницами между основной и дисковой памятью называют страничным обменом, или своппингом (swap – обмен). Часто перемещаемые на диск страницы сохраняются в специальном файле, называемом страничным файлом, или файлом подкачки. Каждая такая операция сопровождается соответствующими изменениями в таблице страниц.

Алгоритм преобразования ВА в ФА можно представить следующим образом. Пусть при выполнении некоторой команды процессору необходимо обратиться к памяти по виртуальному адресу. Тогда система, используя реализованную в процессоре аппаратную поддержку, выполняет следующее:

• из виртуального адреса выделяется номер виртуальной страницы;
• с помощью системного регистра производится обращение к текущей таблице страниц; из таблицы по номеру виртуальной страницы выбирается запись-дескриптор;
• анализируется признак присутствия данной страницы в памяти;
• если страница отображена в память, то из дескриптора извлекается номер назначенной физической страницы, который заменяет номер виртуальной страницы, и тем самым формируется реальный физический адрес;
• если страницы в памяти нет, то генерируется так называемое страничное прерывание, обработчик которого должен найти на диске и загрузить в память необходимую страницу;
• на время выполнения этих действий процессор может переключиться на обработку другого потока;
• если при загрузке нужной виртуальной страницы для нее есть свободная физическая страница, то загрузка выполняется, в таблицу страниц заносится соответствующий номер, устанавливается признак присутствия страницы и вычисляется физический адрес;
• если ни одной свободной страницы нет, то система вынуждена:
  
  
  • по определенному правилу найти страницу, которую надо вытеснить на диск (правила описаны ниже);
  • проверить ее признак модификации и либо сохранить страницу на диске, либо просто отметить ее как отсутствующую;
  • освободившуюся физическую страницу назначить затребованной виртуальной странице.

Для определения вытесняемой на диск страницы существуют разные правила. Наиболее простым с точки зрения реализации является правило случайного выбора. Более сложными, но и более эффективными являются следующие правила:

• выбрать страницу, к которой было меньше всего обращений;
• выбрать страницу, которая не использовалась дольше всех.

Для правильной работы страничного механизма система должна вести учет свободных и занятых физических страниц, отмечая каждую соответствующим признаком. При всех своих достоинствах страничная организация памяти имеет ряд следующих недостатков:

• большие накладные расходы на поддержку таблиц страниц: одна таблица может требовать нескольких мегабайт памяти для своего хранения;
• разбиение кода и данных на виртуальные страницы носит механический характер и никак не учитывает логическую структуру построения программы; это может приводить, например, к тому, что начало кода некоторой подпрограммы будет находиться на одной странице, а конец – на другой, что приведет к лишним страничным прерываниям при выполнении единой подпрограммы.