Виртуальная память. Страничная организация памяти

• Виртуальная память и страничная организация памяти являются современными подходами к управлению памятью.  

• Виртуальная память предоставляет программам больше памяти, чем физически доступно в системе.  

• Программисты хотят иметь неограниченное количество памяти для своих программ.  

• Виртуальная память позволяет программам работать с большим объемом памяти, чем физически доступно.  

• Части программы, к которым процессор не обращается, могут быть выгружены на жесткий диск.  

• Программа загружается в память по частям по мере необходимости.  

• Программы, которые не помещались в память целиком, разделялись на оверлеи.  

• Виртуальная память является развитием этого подхода.  

• Программы загружаются в память по частям, что облегчает работу с большими объемами данных.  

• Виртуальная память организуется в виде страничной памяти, где адресное пространство разбивается на страницы.  

• Страницы имеют фиксированный размер, а физическая память разбивается на страничные кадры.  

• Страницы могут быть загружены в любой страничный блок физической памяти.  

• Программисты обращаются к виртуальным адресам, которые затем преобразуются в физические адреса.  

• Преобразование виртуальных адресов в физические адреса осуществляется менеджером управления памяти.  

• Виртуальные адреса не могут быть выставлены на шину адреса напрямую.  

• Страничное прерывание происходит, когда процесс обращается к адресу, которого нет в физической памяти.  

• Операционная система обрабатывает это прерывание, выталкивая одну из существующих страниц и загружая нужную.  

• Страничное прерывание прозрачно для программы и может произойти в любой момент.  

• Таблица страниц хранит информацию о том, какие страницы отображаются в физическую память.  

• Таблица может быть большой и зависит от количества страниц в процессе.  

• Структура элемента таблицы страниц включает виртуальный адрес, бит блокирования, бит обращений, бит изменений, бит защиты и номер страничного блока.  

• Биты обращений показывают, была ли страница использована на текущем такте.  

• Биты изменений показывают, была ли изменена информация на странице на текущем такте.  

• Эти биты важны для решения, какую страницу вытолкнуть из оперативной памяти.  

• Если страница использовалась на текущем такте, высока вероятность, что она будет использована на следующем такте.  

• Если страница была изменена, её нужно переписать на жесткий диск перед выталкиванием.  

• В продвинутых алгоритмах страницы с изменениями записываются на жесткий диск периодически.  

• Биты защиты определяют, доступна ли страница для чтения и записи или только для чтения.  

• В сложных случаях может быть несколько битов защиты для разных прав доступа.  

• Бит блокирования кэша важен при прямом отображении устройств на оперативную память.  

• Он предотвращает выталкивание страницы из памяти во время операции записи.  

• Размер таблицы страниц зависит от размера виртуальной страницы.  

• Большая таблица страниц может занимать много памяти или замедлять поиск виртуального адреса.  

• Используются буферы трансляции, многоуровневые таблицы страниц и инвертированные таблицы страниц.  

• ТБ аналогичен кэшу для элементов таблицы страниц.  

• В ТБ помещаются записи, к которым процессор обращается чаще всего.  

• Программы обращаются к набору адресов, который меняется со временем.  

• Программное управление ТБ использует предсказание переходов для ускорения работы.  

• Процессор предсказывает, к какой странице будет следующее обращение, и помещает её в ТБ.  

• Таблица страниц разбивается на несколько страниц второго уровня.  

• Вводится таблица верхнего уровня для связи таблиц второго уровня.  

• Виртуальный адрес состоит из трех частей: адрес в таблице первого уровня, адрес в таблице второго уровня и смещение внутри страницы.  

• Таблица верхнего уровня всегда находится в памяти.  

• Процессор ищет запись в таблице верхнего уровня для определения местоположения таблицы второго уровня.  

• Таблица второго уровня может храниться на жестком диске.  

• Таблица верхнего уровня содержит информацию о подкачке таблиц второго уровня.  

• Если таблица подкачана, процессор находит нужную запись в таблице второго уровня.  

• По смещению определяется нужная страница в памяти.  

• Количество служебной информации в памяти сокращается.  

• Пример: таблица из 2^20 строк разбивается на 2^10 строк в каждой таблице второго уровня.  

• В памяти хранится только таблица верхнего уровня и несколько таблиц второго уровня.  

• Технология инвертированных таблиц страниц применяется для 64-разрядных систем.  

• В инвертированной таблице каждая запись содержит информацию о виртуальной странице, отображаемой в физический блок.  

• Поиск страницы в инвертированной таблице сложнее, но таблица значительно меньше.  

• Используется буфер TLB для быстрого поиска записей инвертированной таблицы.  

• При неудачном поиске в TLB применяется программный поиск с использованием хэш-таблицы.  

• Хэш-таблица содержит виртуальные адреса, сцепленные по значению хэш-функции.  

• Хэш-таблицы используются для быстрого поиска в файловых системах, таких как NFS.  

• В следующем семестре будет обсуждаться использование хэш-таблиц в файловых системах.