Раздел 1. Введение в архитектуру ЭВМ

механизмы функционирования.

управления.
Алгоритм командного цикла для ЭВМ с архитектурой фон Неймана.
Конвейер команд.
Многоуровневая

память.
Загрузка ОС и прикладных программ.

состоящая из нескольких уровней запоминающих устройств с различными характеристиками и

рассматриваемая со стороны пользователей как единое целое.

Трехуровневая организация памяти:
сверхоперативная (СОЗУ)
оперативная (ОЗУ)
внешняя (ВЗУ).

на два уровня:
основную (главную, оперативную, физическую ),
вторичную (внешнюю) память.
Иерархия памяти по убыванию времени доступа, возрастанию

цены и увеличению емкости

Принцип локальности или локализации обращений основан на свойстве реальных программ работать с небольшим набором адресов памяти в течение ограниченного отрезка времени.
Адреса в основной памяти, характеризующие реальное расположение данных в физической памяти, называются физическими адресами. Набор физических адресов, с которым работает программа, называют физическим адресным пространством.

на то, как хранятся программы и данные, основываясь на модульном

принципе построения программ.

Сегмент – область памяти определенного назначения, внутри которой поддерживается линейная адресация.
Сегменты содержат:
процедуры,
массивы,
стек,
скалярные величины,
информацию смешанного типа.
↓
Двумерная память:
где адрес состоит из:
номер сегмента,
смещение внутри сегмента.

логическим (в системах с виртуальной памятью он часто называется виртуальным)

адресом.
Совокупность всех логических адресов называется логическим (виртуальным) адресным пространством.

и ОС ссылок в коде программы на реальные физические адреса,

соответствующие текущему расположению программы в основной памяти.

Привязка инструкций и данных к памяти в принципе может быть сделана на следующих шагах:
Этап компиляции (Compile time).
Этап загрузки (Load time).
Этап выполнения (Execution time).

Формирование логического адреса и связывание логического адреса с физическим

должна выполнять следующие функции:
отображение адресного пространства процесса на конкретные области физической памяти;
распределение

памяти между конкурирующими процессами;
контроль доступа к адресным пространствам процессов;
выгрузка процессов (целиком или частично) во внешнюю память, когда в оперативной памяти недостаточно места;
учет свободной и занятой памяти.

помещается в основную память, занимает непрерывную область памяти, а система принимает

к обслуживанию дополнительные пользовательские процессы до тех пор, пока все они одновременно помещаются в основной памяти.
«Простой свопинг»: система размещает каждый процесс в основной памяти целиком, но иногда, на основании некоторого критерия, целиком сбрасывает образ некоторого процесса из основной памяти во внешнюю и заменяет его в основной памяти образом другого процесса. Выгруженный процесс может быть возвращен в то же самое адресное пространство или в другое. Это ограничение диктуется методом связывания. Для схемы связывания на этапе выполнения можно загрузить процесс в другое место памяти.
Схема с фиксированными разделами:
– с общей очередью процессов,
(b) – с отдельными очередями процессов

Недостатки:
число одновременно выполняемых процессов ограничено числом разделов;
данная схема сильно страдает от внутренней фрагментации

ветвей оверлейной структуры программы находятся на диске как абсолютные образы памяти и

считываются драйвером оверлеев при необходимости.
Для описания оверлейной структуры обычно используется язык overlay description language.
Пример:
Файл с деревом вызовов внутри программы для данной схемы (файл с расширением .odl):
A-(B,C)
C-(D,E)

Техника оверлей (overlay) или организация структуры с перекрытием предполагает держать в памяти только те инструкции программы, которые нужны в данный момент.

первого подходящего (First fit).
Стратегия наиболее подходящего (Best fit).
Стратегия наименее

подходящего (Worst fit).
Типовой цикл работы менеджера памяти:
анализ запроса на выделение свободного участка (раздела),
выбор его среди имеющихся в соответствии с одной из стратегий,
загрузка процесса в выбранный раздел,
изменения таблиц свободных и занятых областей.
Одно из решений проблемы внешней фрагментации – организовать сжатие, то есть перемещение всех занятых (свободных) участков в сторону возрастания (убывания) адресов, так, чтобы вся свободная память образовала непрерывную область. Этот метод иногда называют схемой с перемещаемыми разделами.

Динамика распределения памяти между процессами
(серым цветом показана неиспользуемая память)

Схема динамического распределения:
вначале вся память свободна и не разделена заранее на разделы;
вновь поступающей задаче выделяется строго необходимое количество памяти, не более;
после выгрузки процесса память временно освобождается;
по истечении некоторого времени память представляет собой переменное число разделов разного размера;
смежные свободные участки могут быть объединены.

адресу v = (p,d), механизм отображения ищет номер страницы p в таблице страниц и

определяет, что эта страница находится в страничном кадре p', формируя реальный адрес из p' и d.

Логическое  и физическое адресные пространства - это наборов блоков или страниц одинакового размера.
↓
Образуются логические страницы → физические страницы ( страничные кадры).
Страницы имеют фиксированную длину = степени числа 2 и не могут перекрываться.
Каждый кадр содержит одну страницу данных.
Внешняя фрагментация отсутствует,
а потери из-за внутренней фрагментации, ограничены частью последней страницы процесса.

Логический адрес в страничной системе – это упорядоченная пара (p,d), где:
p – номер страницы в виртуальной памяти,
d – смещение в рамках страницы p, на которой размещается адресуемый элемент.

Система отображения логических адресов в физические сводится к системе отображения логических страниц в физические и представляет собой таблицу страниц, которая хранится в оперативной памяти.

Таблица страниц адресуется специального регистром процессора и позволяет определить номер кадра по логическому адресу.
При помощи атрибутов, записанных в строке таблицы страниц, можно организовать контроль доступа к конкретной странице и ее защиту.
Для управления физической памятью ОС поддерживает структуру таблицы кадров. Она имеет одну запись на каждый физический кадр, показывающий его состояние.

из двух полей:
номера сегмента,
смещения внутри сегмента.

Логическое адресное пространство – набор сегментов.

Каждый сегмент имеет:
имя,
размер,
уровень привилегий,
разрешенные виды обращений,
флаги присутствия

и т.д.

Элемент таблицы сегментов содержит:
физический адрес начала сегмента,
длину сегмента.

Логический адрес – упорядоченная пара v = (s,d), где:
s – номер сегмента,
d – смещение внутри сегмента.

Преобразование логического адреса при сегментной организации памяти

происходит двухуровневая трансляция виртуального адреса в физический.

Логический адрес состоит из трех полей:
номера сегмента  логической

памяти,
номера страницы внутри сегмента, смещения внутри страницы.

Поэтому используются две таблицы отображения:
таблица сегментов, связывающая номер сегмента с таблицей страниц,
отдельная таблица страниц для каждого сегмента.

Упрощенная схема формирования физического адреса при сегментно-страничной организации памяти