Сегментная и страничная организация памяти кратко

Обновлено: 17.05.2024

Описанные выше схемы недостаточно эффективно используют память , поэтому в современных схемах управления памятью не принято размещать процесс в оперативной памяти одним непрерывным блоком.

Логический адрес в страничной системе – упорядоченная пара (p,d), где p – номер страницы в виртуальной памяти, а d – смещение в рамках страницы p, на которой размещается адресуемый элемент. Заметим, что разбиение адресного пространства на страницы осуществляется вычислительной системой незаметно для программиста. Поэтому адрес является двумерным лишь с точки зрения операционной системы, а с точки зрения программиста адресное пространство процесса остается линейным.

Описываемая схема позволяет загрузить процесс, даже если нет непрерывной области кадров, достаточной для размещения процесса целиком. Но одного базового регистра для осуществления трансляции адреса в данной схеме недостаточно. Система отображения логических адресов в физические сводится к системе отображения логических страниц в физические и представляет собой таблицу страниц , которая хранится в оперативной памяти . Иногда говорят, что таблица страниц – это кусочно-линейная функция отображения, заданная в табличном виде.

Интерпретация логического адреса показана на рис. 8.7. Если выполняемый процесс обращается к логическому 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.

Таблица страниц (page table ) адресуется при помощи специального регистра процессора и позволяет определить номер кадра по логическому адресу. Помимо этой основной задачи, при помощи атрибутов, записанных в строке таблицы страниц , можно организовать контроль доступа к конкретной странице и ее защиту.

Отметим еще раз различие точек зрения пользователя и системы на используемую память . С точки зрения пользователя, его память – единое непрерывное пространство , содержащее только одну программу. Реальное отображение скрыто от пользователя и контролируется ОС. Заметим, что процессу пользователя чужая память недоступна. Он не имеет возможности адресовать память за пределами своей таблицы страниц , которая включает только его собственные страницы .

Для управления физической памятью ОС поддерживает структуру таблицы кадров. Она имеет одну запись на каждый физический кадр , показывающий его состояние.

Отображение адресов должно быть осуществлено корректно даже в сложных случаях и обычно реализуется аппаратно. Для ссылки на таблицу процессов используется специальный регистр . При переключении процессов необходимо найти таблицу страниц нового процесса, указатель на которую входит в контекст процесса .

Сегментная и сегментно-страничная организация памяти

Существуют две другие схемы организации управления памятью: сегментная и сегментно-страничная. Сегменты , в отличие от страниц , могут иметь переменный размер. Идея сегментации изложена во введении. При сегментной организации виртуальный адрес является двумерным как для программиста, так и для операционной системы, и состоит из двух полей – номера сегмента и смещения внутри сегмента . Подчеркнем, что в отличие от страничной организации, где линейный адрес преобразован в двумерный операционной системой для удобства отображения, здесь двумерность адреса является следствием представления пользователя о процессе не в виде линейного массива байтов, а как набор сегментов переменного размера (данные, код, стек. ).

Программисты, пишущие на языках низкого уровня , должны иметь представление о сегментной организации, явным образом меняя значения сегментных регистров (это хорошо видно по текстам программ, написанных на Ассемблере). Логическое адресное пространство – набор сегментов . Каждый сегмент имеет имя, размер и другие параметры ( уровень привилегий , разрешенные виды обращений, флаги присутствия). В отличие от страничной схемы, где пользователь задает только один адрес , который разбивается на номер страницы и смещение прозрачным для программиста образом, в сегментной схеме пользователь специфицирует каждый адрес двумя величинами: именем сегмента и смещением.

Каждый сегмент – линейная последовательность адресов, начинающаяся с 0. Максимальный размер сегмента определяется разрядностью процессора (при 32-разрядной адресации это 2 32 байт или 4 Гбайт). Размер сегмента может меняться динамически (например, сегмент стека). В элементе таблицы сегментов помимо физического адреса начала сегмента обычно содержится и длина сегмента . Если размер смещения в виртуальном адресе выходит за пределы размера сегмента , возникает исключительная ситуация .

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

В системах, где сегменты поддерживаются аппаратно, эти параметры обычно хранятся в таблице дескрипторов сегментов , а программа обращается к этим дескрипторам по номерам-селекторам. При этом в контекст каждого процесса входит набор сегментных регистров, содержащих селекторы текущих сегментов кода, стека, данных и т. д. и определяющих, какие сегменты будут использоваться при разных видах обращений к памяти. Это позволяет процессору уже на аппаратном уровне определять допустимость обращений к памяти, упрощая реализацию защиты информации от повреждения и несанкционированного доступа.

Аппаратная поддержка сегментов распространена мало (главным образом на процессорах Intel). В большинстве ОС сегментация реализуется на уровне, не зависящем от аппаратуры.

Хранить в памяти сегменты большого размера целиком так же неудобно, как и хранить процесс непрерывным блоком. Напрашивается идея разбиения сегментов на страницы . При сегментно-страничной организации памяти происходит двухуровневая трансляция виртуального адреса в физический. В этом случае логический адрес состоит из трех полей: номера сегмента логической памяти , номера страницы внутри сегмента и смещения внутри страницы . Соответственно, используются две таблицы отображения – таблица сегментов , связывающая номер сегмента с таблицей страниц , и отдельная таблица страниц для каждого сегмента .

Рис. 8.9. Упрощенная схема формирования физического адреса при сегментно-страничной организации памяти

Сегментно-страничная и сегментная организация памяти позволяет легко организовать совместное использование одних и тех же данных и программного кода разными задачами. Для этого различные логические блоки памяти разных процессов отображают в один и тот же блок физической памяти , где размещается разделяемый фрагмент кода или данных.

Заключение

В настоящей лекции описаны простейшие способы управления памятью в ОС. Физическая память компьютера имеет иерархическую структуру. Программа представляет собой набор сегментов в логическом адресном пространстве . ОС осуществляет связывание логических и физических адресных пространств . В последующих лекциях будут рассматриваться современные решения, связанные с поддержкой виртуальной памяти.

Первым среди разрывных методов распределения памяти был сегментный. Естественным способом разбиения программы на части является разбиение её на логические элементы – т.н. сегменты. Каждый программный модуль может быть воспринят как отдельный сегмент.

Логически обращение к элементам программы в этом случае будет выглядеть как указание имени сегмента и смещения относительно начала этого сегмента. Физически имя (или порядковый номер) сегмента будет соответствовать некоторому адресу, с которого этот сегмент начинается при его размещении в памяти, и смещение должно прибавляться к этому базовому адресу.

Преобразование имени сегмента в его порядковый номер осуществляет система программирования. ОС размещает сегменты в память и для каждого сегмента получает информацию о его начале.

Каждый сегмент, помещаемый в память, имеет соответствующую информационную структуру, называемую дескриптором сегмента. Для любого исполняемого процесса ОС строит таблицу дескрипторов сегментов и с помощью бита присутствия отмечает для каждого сегмента его текущее местоположение. В дескрипторе сегмента, помимо указания его адреса, длины и бита присутствия, содержатся, как правило, данные о его типе (сегмент кода или данных), правах доступа (можно ли модифицировать, предоставлять другой задаче), отметка об обращениях к данному сегменту (как часто, давно или нет он использовался).

Достоинства сегментного метода:

· программу можно загружать не целиком, а по мере необходимости;

· некоторые программные модули могут быть разделяемыми – они являются сегментами, и к ним достаточно легко можно организовать доступ посредством помещения в дескрипторы сегментов указателей на такие разделяемые сегменты.

Недостатки сегментного метода:

· замедление доступа к требуемой ячейке памяти;

· потери памяти и процессорного времени на размещение и обработку дескрипторных таблиц;

· фрагментация памяти – в силу того, что размер сегмента может быть различным, после завершении работы одних сегментов и загрузки новых (очень маловероятно, что точно такого же размера) неизбежно возникновение свободных малых участков памяти.

В качестве примера операционной системы, применяющей сегментное преобразование памяти, можно назвать OS/2.

Страничное преобразование заключается в замене номера виртуальной страницы на номер физической. Каждой виртуальной странице ставится в соответствие физическая, т.е. страничное преобразование – это отображение физических страниц в виртуальные. Для этого отображения существует таблица дескрипторов страниц. Отличие от таблицы дескрипторов сегментов состоит в том, что здесь не требуется поле длины.

Поскольку размер страницы – величина фиксированная, то существует проблема его правильного выбора. Чем больше размер страницы, тем меньше будет размер структуры данных, обслуживающих преобразование адресов, но и тем больше будут потери, связанные с тем, что память можно выделять только постранично (возникает фрагментация). На некоторых архитектурах размер страниц задан аппаратно, например, на Intel – это 4 Кбайт, на DEC PDP-11 – 8 Кбайт, а на других архитектурах, таких, как Motorola 68030, размер страниц задается программно.

Важными характеристиками архитектуры процессора являются размеры физического и виртуального адресных пространств, определяющих соответственно ограничение на размер физической памяти и пределы, в которых может меняться виртуальный адрес. Размеры адресных пространств обычно определяются разрядностью архитектуры процессора. Самыми распространёнными сейчас являются 32-разрядные процессоры, позволяющие создавать виртуальные адресные пространства размером 2 32 байт (4 Гбайта).

Страничное преобразование представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих механизмы виртуальной памяти, свопинга и реализацию других алгоритмов управления памятью.

Основным достоинством страничного способа распределения памяти является минимально возможная фрагментация.

Недостатки страничного преобразования:

· как и при сегментном методе, потери памяти и процессорного времени на размещение и обработку дескрипторных таблиц;

· программы разбиваются на страницы случайно, без учёта логических взаимосвязей, имеющихся в коде, следовательно, межстраничные переходы осуществляются чаще, чем межсегментные. Вследствие этого труднее организовать разделение программных модулей между выполняющимися процессами.

Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти

Сегментный способ организации памяти

Достоинства сегментного метода:

· программу можно загружать не целиком, а по мере необходимости;

Недостатки сегментного метода:

· замедление доступа к требуемой ячейке памяти;

· потери памяти и процессорного времени на размещение и обработку дескрипторных таблиц;

В качестве примера операционной системы, применяющей сегментное преобразование памяти, можно назвать OS/2.

Недостатки страничного преобразования:

Существуют две другие схемы организации управления памятью: сегментная и сегментно-страничная. Сегменты, в отличие от страниц, могут иметь переменный размер. Идея сегментации изложена во введении. При сегментной организации виртуальный адрес является двумерным как для программиста, так и для операционной системы, и состоит из двух полей – номера сегмента и смещения внутри сегмента. Подчеркнем, что в отличие от страничной организации, где линейный адрес преобразован в двумерный операционной системой для удобства отображения, здесь двумерность адреса является следствием представления пользователя о процессе не в виде линейного массива байтов, а как набор сегментов переменного размера (данные, код, стек. ).

Программисты, пишущие на языках низкого уровня, должны иметь представление о сегментной организации, явным образом меняя значения сегментных регистров (это хорошо видно по текстам программ, написанных на Ассемблере). Логическое адресное пространство – набор сегментов. Каждый сегмент имеет имя, размер и другие параметры (уровень привилегий, разрешенные виды обращений, флаги присутствия). В отличие от страничной схемы, где пользователь задает только один адрес, который разбивается на номер страницы и смещение прозрачным для программиста образом, в сегментной схеме пользователь специфицирует каждый адрес двумя величинами: именем сегмента и смещением.

Каждый сегмент – линейная последовательность адресов, начинающаяся с 0. Максимальный размер сегмента определяется разрядностью процессора (при 32-разрядной адресации это 2 32 байт или 4 Гбайт). Размер сегмента может меняться динамически (например, сегмент стека). В элементе таблицы сегментов помимо физического адреса начала сегмента обычно содержится и длина сегмента. Если размер смещения в виртуальном адресе выходит за пределы размера сегмента, возникает исключительная ситуация.

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

В системах, где сегменты поддерживаются аппаратно, эти параметры обычно хранятся в таблице дескрипторов сегментов, а программа обращается к этим дескрипторам по номерам-селекторам. При этом в контекст каждого процесса входит набор сегментных регистров, содержащих селекторы текущих сегментов кода, стека, данных и т. д. и определяющих, какие сегменты будут использоваться при разных видах обращений к памяти. Это позволяет процессору уже на аппаратном уровне определять допустимость обращений к памяти, упрощая реализацию защиты информации от повреждения и несанкционированного доступа.

Рис. 8.8. Преобразование логического адреса при сегментной организации памяти

Хранить в памяти сегменты большого размера целиком так же неудобно, как и хранить процесс непрерывным блоком. Напрашивается идея разбиения сегментов на страницы. При сегментно-страничной организации памяти происходит двухуровневая трансляция виртуального адреса в физический. В этом случае логический адрес состоит из трех полей: номера сегмента логической памяти, номера страницы внутри сегмента и смещения внутри страницы. Соответственно, используются две таблицы отображения – таблица сегментов, связывающая номер сегмента с таблицей страниц, и отдельная таблица страниц для каждого сегмента.

Рис. 8.9. Упрощенная схема формирования физического адреса при сегментно-страничной организации памяти

Сегментно-страничная и страничная организация памяти позволяет легко организовать совместное использование одних и тех же данных и программного кода разными задачами. Для этого различные логические блоки памяти разных процессов отображают в один и тот же блок физической памяти, где размещается разделяемый фрагмент кода или данных.

Заключение

В настоящей лекции описаны простейшие способы управления памятью в ОС. Физическая память компьютера имеет иерархическую структуру. Программа представляет собой набор сегментов в логическом адресном пространстве. ОС осуществляет связывание логических и физических адресных пространств. В последующих лекциях будут рассматриваться современные решения, связанные с поддержкой виртуальной памяти.

9. Лекция: Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти: версия для печати и PDA
Рассмотрены аппаратные особенности поддержки виртуальной памяти. Разбиение адресного пространства процесса на части и динамическая трансляция адреса позволили выполнять процесс даже в отсутствие некоторых его компонентов в оперативной памяти. Следствием такой стратегии является возможность выполнения больших программ, размер которых может превышать размер оперативной памяти.

В этой и следующей лекциях речь пойдет о наиболее распространенной в настоящее время схеме управления памятью, известной как виртуальная память, в рамках которой осуществляется сложная связь между аппаратным и программным обеспечением. Вначале будут рассмотрены аппаратные аспекты виртуальной памяти, а затем вопросы, возникающие при ее программной реализации.

Понятие виртуальной памяти

Разработчикам программного обеспечения часто приходится решать проблему размещения в памяти больших программ, размер которых превышает объем доступной оперативной памяти. Один из вариантов решения данной проблемы – организация структур с перекрытием – рассмотрен в предыдущей лекции. При этом предполагалось активное участие программиста в процессе формирования перекрывающихся частей программы. Развитие архитектуры компьютеров и расширение возможностей операционной системы по управлению памятью позволило переложить решение этой задачи на компьютер. Одним из главных достижений стало появление виртуальной памяти (virtual memory). Впервые она была реализована в 1959 г. на компьютере "Атлас", разработанном в Манчестерском университете.

Суть концепции виртуальной памяти заключается в следующем. Информация, с которой работает активный процесс, должна располагаться в оперативной памяти. В схемах виртуальной памяти у процесса создается иллюзия того, что вся необходимая ему информация имеется в основной памяти. Для этого, во-первых, занимаемая процессом память разбивается на несколько частей, например страниц. Во-вторых, логический адрес (логическая страница), к которому обращается процесс, динамически транслируется в физический адрес (физическую страницу). И, наконец, в тех случаях, когда страница, к которой обращается процесс, не находится в физической памяти, нужно организовать ее подкачку с диска. Для контроля наличия страницы в памяти вводится специальный бит присутствия, входящий в состав атрибутов страницы в таблице страниц.

Таким образом, в наличии всех компонентов процесса в основной памяти необходимости нет. Важным следствием такой организации является то, что размер памяти, занимаемой процессом, может быть больше, чем размер оперативной памяти. Принцип локальности обеспечивает этой схеме нужную эффективность.

Возможность выполнения программы, находящейся в памяти лишь частично, имеет ряд вполне очевидных преимуществ.

Программа не ограничена объемом физической памяти. Упрощается разработка программ, поскольку можно задействовать большие виртуальные пространства, не заботясь о размере используемой памяти.
Поскольку появляется возможность частичного помещения программы (процесса) в память и гибкого перераспределения памяти между программами, можно разместить в памяти больше программ, что увеличивает загрузку процессора и пропускную способность системы.
Объем ввода-вывода для выгрузки части программы на диск может быть меньше, чем в варианте классического свопинга, в итоге каждая программа будет работать быстрее.

Таким образом, возможность обеспечения (при поддержке операционной системы) для программы "видимости" практически неограниченной (характерный размер для 32-разрядных архитектур 2 32 = 4 Гбайт) адресуемой пользовательской памяти (логическое адресное пространство) при наличии основной памяти существенно меньших размеров (физическое адресное пространство) – очень важный аспект.

Но введение виртуальной памяти позволяет решать другую, не менее важную задачу – обеспечение контроля доступа к отдельным сегментам памяти и, в частности, защиту пользовательских программ друг от друга и защиту ОС от пользовательских программ. Каждый процесс работает со своими виртуальными адресами, трансляцию которых в физические выполняет аппаратура компьютера. Таким образом, пользовательский процесс лишен возможности напрямую обратиться к страницам основной памяти, занятым информацией, относящейся к другим процессам.

Например, 16-разрядный компьютер PDP-11/70 с 64 Кбайт логической памяти мог иметь до 2 Мбайт оперативной памяти. Операционная система этого компьютера тем не менее поддерживала виртуальную память, которая обеспечивала защиту и перераспределение основной памяти между пользовательскими процессами.

Напомним, что в системах с виртуальной памятью те адреса, которые генерирует программа (логические адреса), называются виртуальными, и они формируют виртуальное адресное пространство. Термин "виртуальная память" означает, что программист имеет дело с памятью, отличной от реальной, размер которой потенциально больше, чем размер оперативной памяти.

Хотя известны и чисто программные реализации виртуальной памяти, это направление получило наиболее широкое развитие после соответствующей аппаратной поддержки.

Следует отметить, что оборудование компьютера принимает участие в трансляции адреса практически во всех схемах управления памятью. Но в случае виртуальной памяти это становится более сложным вследствие разрывности отображения и многомерности логического адресного пространства. Может быть, наиболее существенным вкладом аппаратуры в реализацию описываемой схемы является автоматическая генерация исключительных ситуаций при отсутствии в памяти нужных страниц (page fault).

Любая из трех ранее рассмотренных схем управления памятью – страничной, сегментной и сегментно-страничной – пригодна для организации виртуальной памяти. Чаще всего используется cегментно-страничная модель, которая является синтезом страничной модели и идеи сегментации. Причем для тех архитектур, в которых сегменты не поддерживаются аппаратно, их реализация – задача архитектурно-независимого компонента менеджера памяти.

Простите но продолжаю задавать глупые вопросы
на этот раз в чем разница сегментной и страничной организации памяти,
что значит чем меньше страница тем меньше внутренняя фрагментация.
Как эта фрагментация вообще происходит?
не ругайтесь, спасибо)

Оценить 1 комментарий

хватит унижаться перед великими умниками, которые отвечают на вопросы на тостере. плевать на их ругательства, этих комнатных гениев

При реализации страничной виртуальной памяти виртуальное адресное пространство делится на части одинакового фиксированного размера, называемые виртуальными страницами. Если виртуальное адресное пространство какого-то процесса не кратно размеру страницы, то последняя страница дополняется фиктивной областью. Физическая оперативная память также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами. Размер страницы выбирается кратным степени двойки. Копия всех виртуальных страниц хранится на диске.
Страничное распределение памяти предусматривает только механическое разбиение на страницы, оно не позволяет различным образом организовать работу со страницами, содержащими команды и данные. При сегментном распределении памяти виртуальное адресное пространство делится на части, называемые сегментами, размер которых определяется смысловым значением содержащейся в них информации. Максимальный размер сегмента определяется разрядностью процессора, для 32-разрядного процессора он равен 4 Гбайт. Сегменты никак не упорядочиваются друг относительно друга. Виртуальный адрес задается парой чисел: номером сегмента и смещением внутри сегмента. При загрузке процесса в оперативную память помещается только часть его сегментов, полный образ виртуального адресного пространства находится на диске. Для каждого загружаемого сегмента подыскивается непрерывный участок свободной физической памяти достаточного размера.

Читайте также: