Понятие виртуальной памяти

Для большинства типичных применений ВМ характерна ситуация, когда размещение всей программы в ОП невозможно из-за ее большого размера. В этом, однако, и нет принципиальной необходимости, поскольку в каждый момент времени «внимание» машины концентрируется на определенных сравнительно небольших участках программы. Таким образом, в ОП достаточно хранить только используемые в данный период времени части программ, а остальные части могут располагаться на внешних ЗУ (ВЗУ). Сложность подобного подхода в том, что процессы обращения к ОП и ВЗУ существенно различаются, и это усложняет задачу программиста. Выходом из такой ситуации было появление в 1959 году идеи виртуализации памяти, под которой понимается метод автоматического управления иерархической памятью, при котором программисту кажется, что он имеет дело с единой памятью большой емкости и высокого быстродействия. Эту память называют виртуальной (кажущейся) памятью. По своей сути виртуализация памяти представляет собой способ аппаратной и программной реализации концепции иерархической памяти.

В рамках идеи виртуализации памяти ОП рассматривается как линейное пространство N адресов, называемое физическим пространством памяти. Для задач, где требуется более чем N ячеек, предоставляется значительно большее пространство адресов (обычно равное общей емкости всех видов памяти), называемое виртуальным пространством, в общем случае не обязательно линейное. Адреса виртуального пространства называют виртуальными, а адреса физического пространства – физическими.

Программа пишется в виртуальных адресах, но поскольку для ее выполнения нужно, чтобы обрабатываемые команды и данные находились в ОП, требуется, чтобы каждому виртуальному адресу соответствовал физический. Таким образом, в процессе вычислений необходимо, прежде всего, переписать из ВЗУ в ОП ту часть информации, на которую указывает виртуальный адрес (отобразить виртуальное пространство на физическое), после чего преобразовать виртуальный адрес в физический (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Отображение виртуального адреса на физический

Среди систем виртуальной памяти можно выделить два класса: системы с фиксированным размером блоков (страничная организация) и системы с переменным размером блоков (сегментная организация). Оба варианта обычно совмещают (сегментно-страничная организация).

Сегментно-страничная организация памяти

При страничной организации предполагается, что виртуальная память – это непрерывный массив со сквозной нумерацией слов, что не всегда можно признать оптимальным. Обычно программа состоит из нескольких частей – кодовой, информационной и стековой. Так как заранее неизвестны длины этих составляющих, то удобно, чтобы при программировании каждая из них имела собственную нумерацию слов, отсчитываемых с нуля. Для этого организуют систему сегментированной памяти, выделяя в виртуальном пространстве независимые линейные пространства переменной длины, называемые сегментами. Каждый сегмент представляет собой отдельную логическую единицу информации, содержащую совокупность данных или программный код и расположенную в адресном пространстве пользователя. В каждом сегменте устанавливается своя собственная нумерация слов, начиная с нуля. Виртуальная память также разбивается на сегменты, с независимой адресацией слов внутри сегмента. Каждой составляющей программы выделяется сегмент памяти. Виртуальный адрес определяется номером сегмента и адресом внутри сегмента. Для преобразования виртуального адреса в физический используется специальная сегментная таблица.

Недостатком такого подхода является то, что неодинаковый размер сегментов приводит к неэффективному использованию ОП. Так, если ОП заполнена, то при замещении одного из сегментов требуется вытеснить тот, размер которого равен или больше размера нового. При многократном повторе подобных действий в ОП остается множество свободных участков, недостаточных по размеру для загрузки полного сегмента. Решением проблемы служит сегментно-страничная организация памяти. В ней размер сегмента выбирается не произвольно, а задается кратным размеру страницы. Сегмент может содержать то или иное, но обязательно целое число страниц, даже если одна из страниц заполнена частично. Возникает определенная иерархия в организации доступа к данным, состоящая из трех ступеней: сегмент > страница > слово. Этой структуре соответствует иерархия таблиц, служащих для перевода виртуальных адресов в физические. В сегментной таблице программы перечисляются все сегменты данной программы с указанием начальных адресов страничной таблицы, относящихся к каждому сегменту. Количество страничных таблиц равно числу сегментов и любая из них определяет расположение каждой из страниц сегмента в памяти, которые могут располагаться не подряд – часть страниц может находиться в ОП, остальные – во внешней памяти. Структуру виртуального адреса и процесс преобразования его в физический адрес иллюстрирует рис. 3.13.

Рис. 3.13. Преобразование адреса при сегментно-страничной

организации памяти

Для получения физического адреса необходим доступ к сегментной и одной из страничных таблиц, поэтому преобразование адреса может занимать много времени.