Управление памятью ПК. Распределение памяти ПК. Программа POST

 
 
 
 

РЕФЕРАТ 
 

На тему: «Распределение памяти. Программа POST» 
 
 
 
 
 

Выполнила: Оржеховская Анна

группа 428 
 
 

2011

Управление  памятью

 

     Память  является важнейшим ресурсом, требующим  тщательного управления со стороны  мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная  память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых  младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Методы  распределения памяти без использования  дискового пространства

     Все методы управления памятью могут  быть разделены на два класса: методы, которые используют перемещение  процессов между оперативной  памятью и диском, и методы, которые не делают этого.

Распределение памяти фиксированными разделами

     Самым простым способом управления оперативной  памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной  величины. Это может быть выполнено  вручную оператором во время старта системы или во время ее генерации. Очередная задача, поступившая на выполнение, помещается либо в общую очередь, либо в очередь к некоторому разделу.

     Подсистема  управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

• сравнивая размер программы, поступившей на выполнение, и свободных разделов, выбирает подходящий раздел,
• осуществляет загрузку программы и настройку адресов.

     При очевидном преимуществе - простоте реализации - данный метод имеет  существенный недостаток - жесткость. Так как в каждом разделе может  выполняться только одна программа, то уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов не зависимо от того, какой размер имеют программы. Даже если программа имеет небольшой объем, она будет занимать весь раздел, что приводит к неэффективному использованию памяти. С другой стороны, даже если объем оперативной памяти машины позволяет выполнить некоторую программу, разбиение памяти на разделы не позволяет сделать этого.

Распределение памяти разделами  переменной величины

     В этом случае память машины не делится  заранее на разделы. Сначала вся  память свободна. Каждой вновь поступающей  задаче выделяется необходимая ей память. Если достаточный объем памяти отсутствует, то задача не принимается на выполнение и стоит в очереди. После завершения задачи память освобождается, и на это  место может быть загружена другая задача. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера.

Задачами  операционной системы при реализации данного метода управления памятью  является:

• ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти,
• при поступлении новой задачи - анализ запроса, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения поступившей задачи,
• загрузка задачи в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей,
• после завершения задачи корректировка таблиц свободных и занятых областей.

     Программный код не перемещается во время выполнения, то есть может быть проведена единовременная настройка адресов посредством  использования перемещающего загрузчика.

     Выбор раздела для вновь поступившей  задачи может осуществляться по разным правилам, таким, например, как "первый попавшийся раздел достаточного размера", или "раздел, имеющий наименьший достаточный размер", или "раздел, имеющий наибольший достаточный  размер". Все эти правила имеют  свои преимущества и недостатки.

     По  сравнению с методом распределения  памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей  гибкостью, но ему присущ очень серьезный  недостаток - фрагментация памяти. Фрагментация - это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Перемещаемые  разделы

     Одним из методов борьбы с фрагментацией  является перемещение всех занятых  участков в сторону старших либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область. В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется "сжатием". Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором - реже выполняется процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом.

     Хотя  процедура сжатия и приводит к  более эффективному использованию  памяти, она может потребовать  значительного времени, что часто  перевешивает преимущества данного  метода. 

Методы  распределения памяти с использованием дискового пространства

Понятие виртуальной памяти

     Виртуальная память - это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер которых превосходит имеющуюся оперативную память; для этого виртуальная память решает следующие задачи:

• размещает данные в запоминающих устройствах разного типа, например, часть программы в оперативной памяти, а часть на диске;
• перемещает по мере необходимости данные между запоминающими устройствами разного типа, например, подгружает нужную часть программы с диска в оперативную память;
• преобразует виртуальные адреса в физические.

     Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.

     Наиболее  распространенными реализациями виртуальной  памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.

Страничное  распределение

     Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами. В общем  случае размер виртуального адресного  пространства не является кратным размеру  страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной  областью.

     Вся оперативная память машины также  делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками).

     Размер  страницы обычно выбирается равным степени двойки: 512, 1024 и т.д., это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

     При загрузке процесса часть его виртуальных  страниц помещается в оперативную  память, а остальные - на диск. Смежные  виртуальные страницы не обязательно  располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого  процесса информационную структуру - таблицу  страниц, в которой устанавливается  соответствие между номерами виртуальных  и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что  виртуальная страница выгружена  на диск. Кроме того, в таблице  страниц содержится управляющая  информация, такая как признак  модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти.

     При активизации очередного процесса в  специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц  данного процесса.

     При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой  произошло обращение. Если данная виртуальная  страница находится в оперативной  памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.

     В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них следующие:

• дольше всего не использовавшаяся страница,
• первая попавшаяся страница,
• страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений.

     В некоторых системах используется понятие  рабочего множества страниц. Рабочее  множество определяется для каждого  процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому  не подлежат выгрузке.

     После того, как выбрана страница, которая  должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации (из таблицы страниц). Если выталкиваемая  страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, то есть соответствующая физическая страница объявляется свободной.

     На  производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные  затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием  виртуального адреса в физический. При часто возникающих страничных прерываниях система может тратить большую часть времени впустую, на свопинг страниц. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. Кроме того, увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит уменьшает затраты памяти. С другой стороны, если страница велика, значит велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждой программы. В среднем на каждой программе теряется половина объема страницы, что в сумме при большой странице может составить существенную величину. Время преобразования виртуального адреса в физический в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в "быстрых" запоминающих устройствах. Это может быть, например, набор специальных регистров или память, использующая для уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование данных.

     Страничное  распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте, без выгрузки страниц на диск. В  этом случае все виртуальные страницы всех процессов постоянно находятся  в оперативной памяти. Такой вариант  страничной организации хотя и не предоставляет пользователю виртуальной памяти, но почти исключает фрагментацию за счет того, что программа может загружаться в несмежные области, а также того, что при загрузке виртуальных страниц никогда не образуется остатков.

Сегментное  распределение

     При страничной организации виртуальное  адресное пространство процесса делится  механически на равные части. Это  не позволяет дифференцировать способы  доступа к разным частям программы (сегментам), а это свойство часто  бывает очень полезным. Например, можно  запретить обращаться с операциями записи и чтения в кодовый сегмент  программы, а для сегмента данных разрешить только чтение. Кроме того, разбиение программы на "осмысленные" части делает принципиально возможным  разделение одного сегмента несколькими  процессами. Например, если два процесса используют одну и ту же математическую подпрограмму, то в оперативную память может быть загружена только одна копия этой подпрограммы.

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

Странично-сегментное распределение

Как видно  из названия, данный метод представляет собой комбинацию страничного и  сегментного распределения памяти и, вследствие этого, сочетает в себе достоинства обоих подходов. Виртуальное  пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь  делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется  операционной системой постранично, при  этом часть страниц размещается  в оперативной памяти, а часть  на диске. Для каждого сегмента создается  своя таблица страниц, структура  которой полностью совпадает  со структурой таблицы страниц, используемой при страничном распределении. Для  каждого процесса создается таблица  сегментов, в которой указываются  адреса таблиц страниц для всех сегментов  данного процесса. Адрес таблицы  сегментов загружается в специальный  регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс.