Контрольная работа по дисциплине: «Системное программное обеспечение»

Общепринятая в настоящее время  концепция виртуальной памяти появилась  в те далекие времена, когда вычислительные системы, научившись выполнять одну программу стали переходить на новый  режим работы - работу в многозадачном (мультипрограммном) режиме. Концепция виртуальной памяти позволила решить целый ряд актуальных вопросов организации вычислений.  
    Встал вопрос о том, как разделить между разными задачами небольшой объем оперативной памяти, чтобы каждая задача выполнялась также, как она выполнялась бы в однопрограммном режиме и как управлять при этом распределением памяти.  
    К этому времени у программистов уже накопился опыт выполнения задач, программный код которых не помещался в слишком маленькую оперативную память. 
    Программистам пришлось  делить такие программы на части и затем  выполнять части программы независимо, организуя оверлейные структуры, которые загружались в основную память и выгружались из нее под управлением программы пользователя. 
     Система  организации виртуальной памяти освободила программистов от этой работы. Она автоматически управляет обменом между двумя уровнями иерархии памяти: основной памятью и внешней (дисковой) памятью. 
    В многопрограммном режиме работы компьютер выполняет множество задач, каждой из которых отводится свое адресное пространство в оперативной памяти. Поэтому необходим механизм разделения небольшой физической памяти между различными задачами. Виртуальная память  делит физическую память на блоки и распределяет их между различными задачами. При этом обеспечивается иллюзия того, что каждая задача и в самом деле исполняется на машине с огромным количеством реальной оперативной памяти. 
    Системы виртуальной памяти можно разделить на два класса: системы с фиксированным размером блоков, называемых страницами, и системы с переменным размером блоков, называемых сегментами. 
    Очевидно, что для реализации возможности автоматического выделения памяти каждой задаче в процессе ее выполнения (динамически), необходимо обеспечить эту возможность аппаратно. Для того, чтобы программа могла действительно воспользоваться виртуальной памятью (иллюзией очень большого количества  реальной оперативной памяти) требуется еще и поддержка программного обеспечения. Задача управления виртуальной памятью возлагается на операционную систему. Различные операционные системы по разному решают вопросы управления памятью. Попробуем получить общее представление о работе виртуальной памяти.   
          Механизмы управления памятью решают две главные задачи: 

• Трансляцию виртуального адресного пространства процесса на физическую память. Это позволяет ссылаться на конкретные адреса физической памяти потокам процесса, работающим в  виртуальном адресном пространстве.
• Подкачку части содержимого памяти с диска, когда потоки пытаются задействовать больший объем физической памяти, чем тот, который имеется в наличии, и выгрузку страниц обратно по мере необходимости.   
   
  Виртуальная память может использовать страничную и сегментную адресации. При использовании страничной адресации в специальные сегментные регистры процессора загружаются селекторы, базовые адреса которых равны нулю, а размер сегмента составляет 4 Гбайта. И хотя для микропроцессора  механизм сегментной адресации продолжает работать, основным механизмом формирования адреса становится страничная адресация. Такая модель памяти и называется плоской (FLAT). Логическая адресация в такой модели определяется только  смещением. Для программиста область памяти, адресуемая смещением, находится в полном распоряжении. Это и есть логический адрес, который преобразуется операционной системой в физический.

    Страничный  механизм является составной  частью системы виртуальной памяти. 
    Страничное преобразование позволяет сохранить линейность адресов для прикладных программ, несмотря на то, что  их работающие страницы располагаются в оперативной памяти в произвольном порядке. Программы  работают со своим адресным пространством, так словно у каждой из них есть своя собственная линейно адресуемая оперативная память. 
Применительно к виртуальной памяти различают три адресных пространства: логическое, линейное и физическое.   

 Логический адрес формируется  при обращении к виртуальному  адресному пространству. 
 Блок сегментации транслирует логический адрес в линейный.  
Физический  адрес образуется после преобразования линейного адреса блоком страничной переадресации.  
    И так, выполняемая программа загружается в оперативную память не целиком, а отдельными страницами (рис1.). Страница с которой работает процессор называется активной.

Рис.1.  Отражение страниц дискового пространства 
 на пространство оперативной памяти.       

В случае  динамического распределения памяти (по запросу программы), адрес содержит номер виртуальной страницы и номер слова в странице. Для защиты памяти от записи и чтения другими процессами необходима соответствующая схема трансляции адреса, которая разрешает доступ к данной области памяти только определенной задаче.      
Для переадресации используется глобальная ( GDT) и локальная (LDТ)  таблицы переадресации.  
                     

 Динамическая трансляция виртуального адреса в реальный

Рис.2. Преобразование виртуального адреса       

Рассмотрим систему переадресации  с сегментацией памяти (рис2.). 
    В глобальной таблице компьютера хранятся сведения о нахождении таблицы сегментов каждой задачи. Адрес таблицы сегментов для выполняемой задачи загружается в управляющий регистр. По адресу таблицы и номеру сегмента виртуального адреса определяется адрес таблицы страниц. По адресу таблицы страниц и номеру страницы виртуального  адреса определяется адрес страницы в таблице страниц (виртуальный адрес, который  преобразуется в реальный в буфере быстрой переадресации). Из буфера быстрой переадресации считывается реальный адрес страницы. Полный реальный адрес равен реальному адресу страницы плюс номер ячейки памяти (смещение в странице). 
        Если разбиение на сегменты не используется, то для трансляции логического адреса используется двухуровневая таблица страниц. Виртуальный адрес интерпретируется как совокупность 3 элементов: указателя каталога страниц, указателя таблицы страниц и указателя слова на странице.  
    У каждого процесса (каждой задачи) есть один каталог страниц, который содержит адреса всех таблиц страниц для данного процесса. Указатель каталога страниц применяется для поиска каталога, из каталога определяется указатель таблицы страниц для данного процесса, по указателю таблицы страниц находится нужная таблица, из которой читается адрес, содержащий указатель для требуемой страницы (ее физический адрес). Остается определить реальный адрес данных, расположенных на этой странице.  Указатель слова  позволяет найти конкретный адрес на физической странице. 
    Но что делать, если количество  страниц во всех линейных адресных пространствах выполняемых процессов превышает объем оперативной  памяти и поэтому невозможно поставить в соответствие каждой из них свою страницу реальной памяти? Для решения этой проблемы  дополнительно ведется учет присутствия страницы в физической памяти (вводится дескриптор страницы где предусмотрен флаг (бит) реального присутствия страницы в оперативной памяти). Наличие такого бита позволяет отметить часть страниц, непомещающихся в физической памяти, как временно отсутствующие.  
    Если происходит обращение к такой странице, то процессор формирует прерывание. Получив прерывание по отсутствию страницы, операционная система может записать одну из присутствующих в памяти страниц на диск и отметить ее как временно отсутствующую во всех адресных пространствах, в которых она была видна. На освободившееся место  с диска считывается та страница, из-за которой произошло прерывание. Заполняются все таблицы, по которым ведется поиск данной страницы и в дескрипторе страницы устанавливается флажок ее реального присутствия в оперативной памяти. 
     После возврата из программы - обработчика прерывания процессор повторит попытку доступа к памяти, но теперь нужная страница уже отмечена как присутствующая и прерывания не произойдет. Если  вновь потребуется та страница, которая была записана на диск, то снова произойдет прерывание, ведь эту страницу пометили как временно отсутствующую в памяти. В ответ на это прерывание на диск будет перемещена еще какая-нибудь страница, а на ее место с диска будет загружена требуемая. 
 Этот процесс называется страничным обменом или свопингом (paging или swapping). Страницы, помещаемые на диск хранятся в специальном файле, файле подкачки (swap-файле). Взаимодействие с файлом подкачки происходит значительно медленнее, чем с оперативной памятью компьютера, поэтому оптимизация работы с этим файлом зачастую дает возможность увеличить скорость работы системы памяти. Теоретически, наиболее оптимальным считается объем файла подкачки, превышающий объем установленной на компьютере оперативной памяти примерно в два раза. 
     Если страница не изменялась с момента последнего считывания с диска, то при ее замене другой страницей нет необходимости повторно записывать ее на диск. Можно просто пометить ее как отсутствующую. Для слежения за изменением страницы современные процессоры поддерживают еще один флаг в дескрипторе страницы. Другой важный флаг, который поддерживается аппаратурой процессора - это флаг обращения. Он устанавливается всегда, когда происходит обращение к странице на чтение или запись. Операционная система может время от времени просматривать страничные таблицы, проверять и сбрасывать этот бит, выявляя те страницы, которые часто используются программами.   

 Для того, чтобы уменьшить количество дисковых операций, операционная система использует ту или иную стратегию страничного обмена. Оптимальная стратегия  состоит в том, чтобы возвращать на диск ту страницу, которая дольше всего не понадобиться программам. Одной из лучших стратегий страничного обмена является LRU (Least Recently Used). Алгоритм LRU предполагает, что на диск надо переносить ту страницу, которая дольше всего не использовалась. Существуют и более сложные алгоритмы, но обычно они базируются на LRU. 
     В некоторых случаях операционная система заранее знает, что определенные страницы, которые сейчас находятся на диске, понадобятся ей (или прикладным программам) в ближайшее время. Тогда она может заранее перенести их в оперативную память, не дожидаясь прерываний по отсутствию страницы. Такая операция называется страничной предвыборкой (page prefetch). Аналогичный прием может быть использован и для записи на диск пассивных страниц раньше, чем будет затребовано место, занимаемое этой страницей.

Сегментная организация виртуальной  памяти

Механизм организации виртуальной  памяти, при котором виртуальное  пространство делится на части произвольного  размера — сегменты. Этот механизм позволяет, к примеру, разбить данные процесса на логические блоки. Для каждого сегмента, как и для страницы, могут быть назначены права доступа к нему пользователя и его процессов. При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре. Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.

Виртуальный адрес при сегментной организации памяти может быть представлен  парой (g, s), где g — номер сегмента, а s — смещение в сегменте. Физический адрес получается путем сложения начального физического адреса сегмента, найденного в таблице сегментов по номеру g, и смещения s.

Недостатком данного метода распределения  памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное  по сравнению со страничной организацией преобразование адреса. 

Страничная организация  виртуальной памяти

В большинстве современных операционных систем виртуальная память организуется с помощью страничной адресации. Оперативная память делится на страницы: области памяти фиксированной длины (например, 4096 байт), которые являются минимальной единицей выделяемой памяти (то есть даже запрос на 1 байт от приложения приведёт к выделению ему страницы памяти). Процесс обращается к памяти с помощью адреса виртуальной памяти, который содержит в себе номер страницы и смещение внутри страницы. Процессор преобразует номер виртуальной страницы в адрес соответствующей ей физической страницы при помощи буфера ассоциативной трансляции. Если ему не удалось это сделать, то требуется обращение к таблице страниц (так называемый Page Walk), что может сделать либо сам процессор, либо операционная система (в зависимости от архитектуры). Если страница выгружена из оперативной памяти, то операционная система подкачивает страницу с жёсткого диска (см. свопинг). При запросе на выделение памяти операционная система может «сбросить» на жёсткий диск страницы, к которым давно не было обращений. Критические данные (например, код запущенных и работающих программ, код и память ядра системы) обычно находятся в оперативной памяти (исключения существуют, однако они не касаются тех частей, которые отвечают за обработку аппаратных прерываний, работу с таблицей страниц и использование файла подкачки).

Сегментно-страничный способ организации виртуальной памяти

Суть данного подхода состоит  в следующем. Программа разбивается  на логически законченные части  − сегменты, каждый из которых размещается  на некотором (от 1 до n) количестве стандартных страниц памяти.

Перемещение данных между основной и внешней памятью осуществляется страницами. Однако разбиение на сегменты позволяет определять разные права доступа к разным частям кода и данных программы. С каждым процессом связана одна таблица сегментов и несколько (по одной на сегмент) таблиц страниц. Начальный адрес таблицы сегментов извлекается из регистра процессора. Первая компонента виртуального адреса содержит номер сегмента, который служит указателем в таблице сегментов на таблицу страниц. Вторая компонента виртуального адреса (смещение относительно начала сегмента) состоит из двух полей: номера виртуальной страницы, который служит указателем в таблице страниц на физическую страницу и смещения относительно начала страницы.            

Данный метод вносит ещё большую  задержку доступа к памяти. Необходимо сначала вычислить адрес дескриптора  сегмента и прочитать его, затем  вычислить адрес элемента таблицы  страниц этого сегмента и извлечь  из памяти необходимый элемент, а  уже затем, приписав к номеру физической страницы номер ячейки в странице, получить окончательный физический адрес этого элемента. Величина задержки здесь примерно втрое больше, чем  при простой прямой адресации. Для  уменьшения задержки вводится кэширование.

В целом, преобразование виртуального адреса в физический адрес происходит в два этапа:     

• На первом этапе исходный виртуальный  адрес, заданный в виде пары (номер  сегмента, смещение), преобразуется  в промежуточный линейный виртуальный  адрес байта. Линейный виртуальный  адрес вычисляется путем сложения базового адреса сегмента, извлеченного из дескриптора, и смещения (если доступ к сегменту разрешен).

На втором этапе полученный линейный виртуальный адрес преобразуется  в искомый физический адрес на основе страничного механизма преобразования. При этом линейный виртуальный адрес  представляется в виде пары (номер  страницы, смещение в странице).            

Сегментно-страничная организация  виртуальной памяти позволяет совместно  использовать одни и те же сегменты данных и программного кода в виртуальной  памяти разных задач (для каждой виртуальной  памяти существует отдельная таблица  сегментов, но для совместно используемых сегментов поддерживаются общие  таблицы страниц).

Вопрос 53: Реальный и защищенный  режим работы процессора i80x86. Системные регистры микропроцессоров i80x86. Структуры данных реального режима.

Ответ: Реальный и защищенный режимы работы процессора.

Широко известно, что первым микропроцессором, на базе которого был создан персональный компьютер IBM PC, был Intel 8088. Этот микропроцессор отличался от первого 16-разрядного микропроцессора фирмы Intel (микропроцессора 8086), прежде всего, тем, что у него была 8-разрядная шина данных, а не 16-разрядная (как у 8086). Оба этих микропроцессора предназначались для создания вы- числительных устройств, работающих в однозадачном режиме, то есть специальных аппаратных средств для поддержки надежных и эффективных мультипрограммных операционных систем в них не было.

Однако к тому времени, когда  разработчики осознали необходимость  включения специальной аппаратной поддержки мультипрограммных вычислений, уже было создано очень много  программных продуктов. Поэтому  для совместимости с первыми  компьютерами в последующих версиях  микропроцессоров была реализована  возможность использовать их в двух режимах: реальном (real mode) — так назвали режим работы первых 16-разрядных микропроцессоров — и защищенном (protected mode), означающем, что параллельные вычисления могут быть защищены аппаратно-программными механизмами.