План лекции
1. Управление памятью. Совместное использование памяти.
2. Защита памяти.
3. Механизм реализации виртуальной памяти.
3. Цель лекции: Ознакомить студентоа со стратегии откачки и подкачки страниц Менеджер ресурса памяти. Стратегии распределения памяти.
4. Содержание лекции:
Управление памятью. Совместное использование памяти
По умолчанию виртуальный размер процесса в 32-разрядной Windows — 2 Гб. Если образ помечен как поддерживающий большое адресное пространство и система загружается со специальным ключом (о нем мы расскажем позже), 32-разрядный процесс может занимать до 3 Гб в 32-разрядной Windows и до 4 Гб в 64-разрядной. Размер виртуального адресного пространства процесса в 64-разрядной Windows составляет 7152 Гб на платформе IA64 и 8192 Гб на платформе хб4. (Это значение может увеличиться в следующих выпусках 64-разрядной Windows.)
Максимальный объем физической памяти, поддерживаемый Windows, варьируется от 2 до 1024 Гб в зависимости от версии и редакции Windows. Так как виртуальное адресное пространство может быть больше или меньше объема физической памяти в компьютере, диспетчер управления памятью решает две главные задачи.
Трансляция, или проецирование (mapping), виртуального адресного пространства процесса на физическую память. Это позволяет ссылаться на корректные адреса физической памяти, когда потоки, выполняемые в контексте процесса, читают и записывают в его виртуальном адресном пространстве. Физически резидентное подмножество виртуального адресного пространства процесса называется рабочим набором (working set).
Подкачка части содержимого памяти на диск, когда потоки или системный код пытаются задействовать больший объем физической памяти, чем тот, который имеется в наличии, и загрузка страниц обратно в физическую память по мере необходимости.
Кроме управления виртуальной памятью диспетчер памяти предоставляет базовый набор сервисов, на которые опираются различные подсистемы окружения Windows. К этим сервисам относится поддержка файлов, проецируемых в память (memory-mapped flies) [их внутреннее название — объекты-разделы (section objects)], памяти, копируемой при записи, и приложений, использующих большие разреженные адресные пространства. Диспетчер памяти также позволяет процессу выделять и использовать большие объемы физической памяти, чем можно спроецировать на виртуальное адресное пространство процесса.
Системы управления памятью можно разделить на два класса: перемещающие процессы между оперативной памятью и диском во время их выполнения и те, которые этого не делают. Второй вариант проще, поэтому начнем с него, а способы с подкачкой (подкачка процессов полностью — swapping или страничная — paging) мы изучим во вторую очередь.
Защита памяти.
Многозадачность вносит две существенные проблемы, требующие решения, — это настройка адресов для перемещения программы в памяти и защита. Разные задачи будут загружены по различным адресам. Когда программа компонуется (то есть в едином адресном пространстве объединяются основной модуль, написанные пользователем процедуры и библиотечные подпрограммы), компоновщик должен знать, с какого адреса будет начинаться программа в памяти.
Для защиты компьютера IBM 360 разработчики приняли следующее решение: они разделили память на блоки по 2 Кбайт и назначили каждому блоку 4-битный защитный код. Регистр PSW (Program Status Word — слово состояния программы) содержал 4-разрядный ключ. Аппаратура IBM 360 перехватывала все попытки работающих процессов обратиться к любой части памяти, защитный код которой отличался от содержимого регистра слова состояния программы. Поскольку только операционная система была вправе изменять коды защиты и ключи, предотвращалось вмешательство пользовательских процессов в дела друг друга и в работу операционной системы.
Альтернативное решение проблем защиты и перераспределения заключается в оснащении машины двумя специальными аппаратными регистрами, называемыми базовым и ограничительным регистрами. При планировании процесса в базовый регистр загружается адрес начала раздела памяти, а в ограничивающий регистр — длина раздела. К каждому автоматически формируемому адресу перед его передачей в память прибавляется содержимое базового регистра. Таким образом, если базовый регистр содержит величину 100 К, команда CALL 100 будет превращена в команду CALL 100K+100 без изменения самой команды. Кроме того, адреса проверяются по отношению к лимитирующему регистру для гарантии, что они не используются для адресации памяти вне текущего раздела. Базовый и ограничительный регистры защищаются аппаратно, чтобы не допустить их изменений пользовательскими программами.
Неудобство, присущее этой схеме, — требуется выполнять операции сложения и сравнения при каждом обращении к памяти. Операция сравнения может быть выполнена быстро, но сложение относительно нее — медленное действие, что обусловлено временем распространения сигнала, за исключением тех случаев, когда применяется специальная микросхема сложения.
