Слайд 1Управление памятью
Операционные системы
Автор Серков В.А.
Слайд 2В.А.Серков "Операционные системы" 3
Функции ОС по управлению памятью
1. Отслеживание свободной
и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при
завершении процессов.
2. Вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов.
3. Возвращение процессов в оперативную память, когда в ней освобождается место.
4. Настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.
Слайд 4В.А.Серков "Операционные системы" 3
Символьные имена присваивает пользователь при написании программы
на алгоритмическом языке или ассемблере.
Слайд 5В.А.Серков "Операционные системы" 3
Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на
машинный язык.
Слайд 6В.А.Серков "Операционные системы" 3
Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти,
где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды.
Слайд 7В.А.Серков "Операционные системы" 3
Переход от виртуальных адресов к физическим может
осуществляться двумя способами.
1. Замену виртуальных адресов на физические делает специальная
системная программа - перемещающий загрузчик. Перемещающий загрузчик
выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.
2. Программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический.
Слайд 8В.А.Серков "Операционные системы" 3
Методы распределения памяти
Слайд 9Методы распределения памяти без использования дискового пространства
Слайд 10В.А.Серков "Операционные системы" 3
Распределение памяти фиксированными разделами
Слайд 11В.А.Серков "Операционные системы" 3
Распределение памяти фиксированными разделами
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.
Слайд 12В.А.Серков "Операционные системы" 3
Распределение памяти разделами переменной величины
Слайд 13В.А.Серков "Операционные системы" 3
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.
Слайд 14В.А.Серков "Операционные системы" 3
Достоинство: Программный код не перемещается во время
выполнения, то есть может быть проведена единовременная настройка адресов посредством
использования перемещающего загрузчика.
Недостаток: Фрагментация памяти - 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.
Слайд 15В.А.Серков "Операционные системы" 3
Перемещаемые разделы
Слайд 16Методы распределения памяти с использованием дискового пространства
Слайд 17В.А.Серков "Операционные системы" 3
Для активизации процесса необходимо программу, реализующую процесс,
загрузить в оперативную память компьютера. Поскольку объем памяти ограничен, то
может наступить момент, когда для очередного процесса просто не найдется места в оперативной памяти.
Слайд 18В.А.Серков "Операционные системы" 3
Оверлеи
Слайд 19В.А.Серков "Операционные системы" 3
Для решения проблемы памяти операционная система поддерживает
файл «подкачки оперативной памяти» на жестком магнитном диске, который вместе
с физической памятью образует виртуальную память.
Слайд 20В.А.Серков "Операционные системы" 3
Понятие виртуальной памяти
Виртуальная память - это
совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер которых превосходит
имеющуюся оперативную память.
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.
Слайд 22В.А.Серков "Операционные системы" 3
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.
Слайд 23В.А.Серков "Операционные системы" 3
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.
Слайд 24В.А.Серков "Операционные системы" 3
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:
- признак модификации страницы;
- признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена);
- признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени);
- другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти.
Слайд 25В.А.Серков "Операционные системы" 3
Слайд 26В.А.Серков "Операционные системы" 3
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;
- активизируется другой процесс из очереди готовых.
Слайд 27В.А.Серков "Операционные системы" 3
Механизм преобразования виртуального адреса в физический при
страничной организации памяти
Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен
в виде пары (p, s).
p - номер виртуальной страницы процесса (нумерация страниц начинается с 0);
s - смещение в пределах виртуальной страницы.
Учитывая, что размер страницы равен 2k , смещение s может быть получено простым отделением k младших разрядов в двоичной записи виртуального адреса. Оставшиеся старшие разряды представляют собой двоичную запись номера страницы p.
Слайд 28В.А.Серков "Операционные системы" 3
При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными
средствами выполняются следующие действия:
1. На основании:
- начального адреса таблицы
страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц);
- номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса);
- длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице.
2. Из этой записи извлекается номер физической страницы.
3. К номеру физической страницы присоединяется смещение (младшие разряды виртуального адреса).
Слайд 30В.А.Серков "Операционные системы" 3
Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты,
размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в
них информации.
Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п.
Иногда сегментация программы выполняется по умолчанию компилятором.
Слайд 31В.А.Серков "Операционные системы" 3
Слайд 32В.А.Серков "Операционные системы" 3
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.
- при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.
Слайд 33В.А.Серков "Операционные системы" 3
Виртуальный адрес при сегментной организации памяти может
быть представлен парой (g, s).
g - номер сегмента;
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.
Слайд 34Странично-сегментное распределение
Слайд 35В.А.Серков "Операционные системы" 3
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.
Слайд 36В.А.Серков "Операционные системы" 3
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.
Слайд 38В.А.Серков "Операционные системы" 3
При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее
методов реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между памятью и диском
целиком, то есть в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти.
Слайд 39В.А.Серков "Операционные системы" 3
Слайд 40В.А.Серков "Операционные системы" 3
Слайд 41В.А.Серков "Операционные системы" 3
Слайд 42В.А.Серков "Операционные системы" 3
Соотношение параметров памяти
Слайд 44В.А.Серков "Операционные системы" 3
Кэш-память - это способ организации совместного функционирования
двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения
данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в "быстрое" ЗУ наиболее часто используемой информации из "медленного" ЗУ.
Слайд 45В.А.Серков "Операционные системы" 3
Механизм кэш-памяти является прозрачным для пользователя, который
не должен сообщать никакой информации об интенсивности использования данных и
не должен никак участвовать в перемещении данных из ЗУ одного типа в ЗУ другого типа, все это делается автоматически системными средствами.
Слайд 46В.А.Серков "Операционные системы" 3
Просматривается содержимое кэш-памяти с целью определения, не
находятся ли нужные данные в кэш-памяти; кэш-память не является адресуемой,
поэтому поиск нужных данных осуществляется по содержимому - значению поля "адрес в оперативной памяти", взятому из запроса.
Слайд 47В.А.Серков "Операционные системы" 3
Если данные обнаруживаются в кэш-памяти, то они
считываются из нее, и результат передается в процессор.
Слайд 48В.А.Серков "Операционные системы" 3
Если нужных данных нет, то они вместе
со своим адресом копируются из оперативной памяти в кэш-память, и
результат выполнения запроса передается в процессор.
Слайд 49В.А.Серков "Операционные системы" 3
При копировании данных может оказаться, что в
кэш-памяти нет свободного места, тогда выбираются данные, к которым в
последний период было меньше всего обращений, для вытеснения из кэш-памяти.
Если вытесняемые данные были модифицированы за время нахождения в кэш-памяти, то они переписываются в оперативную память.
Если же эти данные не были модифицированы, то их место в кэш-памяти объявляется свободным.
Слайд 50В.А.Серков "Операционные системы" 3
Кэш-память
Слайд 51В.А.Серков "Операционные системы" 3
Пространственная локальность. Если произошло обращение по некоторому
адресу, то с высокой степенью вероятности в ближайшее время произойдет
обращение к соседним адресам.
Временная локальность. Если произошло обращение по некоторому адресу, то следующее обращение по этому же адресу с большой вероятностью произойдет в ближайшее время.
