Разработка реализация и сегментация страничной реализации памяти кратко
Обновлено: 02.07.2024
Другой подход к организации памяти опирается на тот факт, что программы обычно разделяются на отдельные области-сегменты. Каждый сегмент представляет собой отдельную логическую единицу информации, содержащую совокупность данных или программ и расположенную в адресном пространстве пользователя. Сегменты создаются пользователями, которые могут обращаться к ним по символическому имени. В каждом сегменте устанавливается своя собственная нумерация слов, начиная с нуля.
Обычно в подобных системах обмен информацией между пользователями строится на базе сегментов. Поэтому сегменты являются отдельными логическими единицами информации, которые необходимо защищать, и именно на этом уровне вводятся различные режимы доступа к сегментам. Можно выделить два основных типа сегментов: программные сегменты и сегменты данных (сегменты стека являются частным случаем сегментов данных). Поскольку общие программы должны обладать свойством повторной входимости, то из программных сегментов допускается только выборка команд и чтение констант. Запись в программные сегменты может рассматриваться как незаконная и запрещаться системой. Выборка команд из сегментов данных также может считаться незаконной и любой сегмент данных может быть защищен от обращений по записи или по чтению.
Для реализации сегментации было предложено несколько схем, которые отличаются деталями реализации, но основаны на одних и тех же принципах.
В системах с сегментацией памяти каждое слово в адресном пространстве пользователя определяется виртуальным адресом, состоящим из двух частей: старшие разряды адреса рассматриваются как номер сегмента, а младшие - как номер слова внутри сегмента. Наряду с сегментацией может также использоваться страничная организация памяти. В этом случае виртуальный адрес слова состоит из трех частей: старшие разряды адреса определяют номер сегмента, средние - номер страницы внутри сегмента, а младшие - номер слова внутри страницы.
Как и в случае страничной организации, необходимо обеспечить преобразование виртуального адреса в реальный физический адрес основной памяти. С этой целью для каждого пользователя операционная система должна сформировать таблицу сегментов. Каждый элемент таблицы сегментов содержит описатель (дескриптор) сегмента (поля базы, границы и индикаторов режима доступа). При отсутствии страничной организации поле базы определяет адрес начала сегмента в основной памяти, а граница - длину сегмента. При наличии страничной организации поле базы определяет адрес начала таблицы страниц данного сегмента, а граница - число страниц в сегменте. Поле индикаторов режима доступа представляет собой некоторую комбинацию признаков блокировки чтения, записи и выполнения.
Таблицы сегментов различных пользователей операционная система хранит в основной памяти. Для определения расположения таблицы сегментов выполняющейся программы используется специальный регистр защиты, который загружается операционной системой перед началом ее выполнения. Этот регистр содержит дескриптор таблицы сегментов (базу и границу), причем база содержит адрес начала таблицы сегментов выполняющейся программы, а граница - длину этой таблицы сегментов. Разряды номера сегмента виртуального адреса используются в качестве индекса для поиска в таблице сегментов. Таким образом, наличие базово-граничных пар в дескрипторе таблицы сегментов и элементах таблицы сегментов предотвращает возможность обращения программы пользователя к таблицам сегментов и страниц, с которыми она не связана. Наличие в элементах таблицы сегментов индикаторов режима доступа позволяет осуществить необходимый режим доступа к сегменту со стороны данной программы. Для повышения эффективности схемы используется ассоциативная кэш-память.
Отметим, что в описанной схеме сегментации таблица сегментов с индикаторами доступа предоставляет всем программам, являющимся частями некоторой задачи, одинаковые возможности доступа, т. е. она определяет единственную область (домен) защиты. Однако для создания защищенных подсистем в рамках одной задачи для того, чтобы изменять возможности доступа, когда точка выполнения переходит через различные программы, управляющие ее решением, необходимо связать с каждой задачей множество доменов защиты. Реализация защищенных подсистем требует разработки некоторых специальных аппаратных средств. Рассмотрение таких систем, которые включают в себя кольцевые схемы защиты, а также различного рода мандатные схемы защиты, выходит за рамки данного пособия.
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.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Сегментно-страничное распределение
Данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного механизмов управления памятью и направлен на реализацию достоинств обоих подходов.
Так же как и при сегментной организации памяти, виртуальное адресное пространство процесса разделено на сегменты. Это позволяет определять разные права доступа к разным частям кодов и данных программы.
Перемещение данных между памятью и диском осуществляется не сегментами, а страницами. Для этого каждый виртуальный сегмент и физическая память делятся на страницы равного размера, что позволяет более эффективно использовать память, сократив до минимума фрагментацию.
В большинстве современных реализаций сегментно-страничной организации памяти в отличие от набора виртуальных диапазонов адресов при сегментной организации памяти все виртуальные сегменты образуют одно непрерывное линейное виртуальное адресное пространство.
Координаты байта в виртуальном адресном пространстве при сегментно-страничной организации можно задать двумя способами. Во-первых, линейным виртуальным адресом, который равен сдвигу данного байта относительно границы общего линейного виртуального пространства, во-вторых, парой чисел, одно из которых является номером сегмента, а другое — смещением относительно начала сегмента. При этом в отличие от сегментной модели, для однозначного задания виртуального адреса вторым способом необходимо каким-то образом указать также начальный виртуальный адрес сегмента с данным номером. Системы виртуальной памяти ОС с сегментно-страничной организацией используют второй способ, так как он позволяет непосредственно определить принадлежность адреса некоторому сегменту и проверить права доступа процесса к нему.
Для каждого процесса операционная система создает отдельную таблицу сегментов, в которой содержатся описатели (дескрипторы) всех сегментов процесса. Описание сегмента включает назначенные ему права доступа и другие характеристики, подобные тем, которые содержатся в дескрипторах сегментов при сегментной организации памяти. Однако имеется и принципиальное отличие. В поле базового адреса указывается не начальный физический адрес сегмента, отведенный ему в результате загрузки в оперативную память, а начальный линейный виртуальный адрес сегмента в пространстве виртуальных адресов.
Наличие базового виртуального адреса сегмента в дескрипторе позволяет однозначно преобразовать адрес, заданный в виде пары (номер сегмента, смещение в сегменте), в линейный виртуальный адрес байта, который затем преобразуется в физический адрес страничным механизмом.
Деление общего линейного виртуального адресного пространства процесса и физической памяти на страницы осуществляется так же, как это делается при страничной организации памяти. Размер страниц выбирается равным степени двойки, что упрощает механизм преобразования виртуальных адресов в физические. Виртуальные страницы нумеруются в пределах виртуального адресного пространства каждого процесса, а физические страницы — в пределах оперативной памяти. При создании процесса в память загружается только часть страниц, остальные загружаются по мере необходимости. Время от времени система выгружает уже ненужные страницы, освобождая память для новых страниц. ОС ведет для каждого процесса таблицу страниц, в которой указывается соответствие виртуальных страниц физическим.
Базовые адреса таблицы сегментов и таблицы страниц процесса являются частью его контекста. При активизации процесса эти адреса загружаются в специальные регистры процессора и используются механизмом преобразования адресов.
Преобразование виртуального адреса в физический происходит в два этапа:
на первом этапе работает механизм сегментации. Исходный виртуальный адрес, заданный в виде пары (номер сегмента, смещение), преобразуется в линейный виртуальный адрес. Для этого на основании базового адреса таблицы сегментов и номера сегмента вычисляется адрес дескриптора сегмента. Анализируются поля дескриптора и выполняется проверка возможности выполнения заданной операции. Если доступ к сегменту разрешен, то вычисляется линейный виртуальный адрес путем сложения базового адреса сегмента, извлеченного из дескриптора, и смещения, заданного в исходном виртуальном адресе;
на втором этапе работает страничный механизм. Полученный линейный виртуальный адрес преобразуется в искомый физический адрес. В результате преобразования линейный виртуальный адрес представляется в том виде, в котором он используется при страничной организации памяти, а именно в виде пары (номер страницы, смещение в странице).
Благодаря тому, что размер страницы выбран равным степени двойки, эта задача решается простым отделением некоторого количества младших двоичных разрядов. При этом в старших разрядах содержится номер виртуальной страницы, а в младших — смещение искомого элемента относительно начала страницы. Так, если размер страницы равен 2 k , то смещением является содержимое младших k разрядов, а остальные, старшие разряды содержат номер виртуальной страницы, которой принадлежит искомый адрес. Далее преобразование адреса происходит так же, как при страничной организации: старшие разряды линейного виртуального адреса, содержащие номер виртуальной страницы, заменяются номером физической страницы, взятым из таблицы страниц, а младшие разряды виртуального адреса, содержащие смещение, остаются без изменения.
Как видно, механизм сегментации и страничный механизм действуют достаточно независимо друг от друга. Поэтому нетрудно представить себе реализацию сегментно-страничного управления памятью, в которой механизм сегментации работает по вышеописанной схеме, а страничный механизм изменен. Он реализует двухуровневую схему, в которой виртуальное адресное пространство делится сначала на разделы, а уж потом на страницы. В таком случае преобразование виртуального адреса в физический происходит в несколько этапов. Сначала механизм сегментации обычным образом, используя таблицу сегментов, вычисляет линейный виртуальный адрес. Затем из данного виртуального адреса вычленяются номер раздела, номер страницы и смещение. И далее по номеру раздела из таблицы разделов определяется адрес таблицы страниц, а затем по номеру виртуальной страницы из таблицы страниц определяется номер физической страницы, к которому пристыковывается смещение. Именно такой подход реализован компанией Intel в процессорах 1386, i486 и Pentium.
Рассмотрим еще одну возможную схему управления памятью, основанную на комбинировании сегментного и страничного механизмов. Так же как и в предыдущих случаях, виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент, в свою очередь, делится на виртуальные страницы. Первое отличие состоит в том, что виртуальные страницы нумеруются не в пределах всего адресного пространства процесса, а в пределах сегмента. Виртуальный адрес в этом случае выражается тройкой (номер сегмента, номер страницы, смещение в странице).
Загрузка процесса выполняется операционной системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть — на диске. Для каждого процесса создается собственная таблица сегментов, а для каждого сегмента — своя таблица страниц. Адрес таблицы сегментов загружается в специальный регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс.
Таблица страниц содержит дескрипторы страниц, содержимое которых полностью аналогично содержимому ранее описанных дескрипторов страниц. А вот таблица сегментов состоит из дескрипторов сегментов, которые вместо информации о расположении сегментов в виртуальном адресном пространстве содержат описание расположения таблиц страниц в физической памяти. Это является вторым существенным отличием данного подхода от ранее рассмотренной схемы сегментно-страничной организации.
Рис.12 . Еще одна схема преобразования виртуального адреса в физический для сегментно-страничной организации памяти
На рис. 12 показана схема преобразования виртуального адреса в физический для данного метода.
По номеру сегмента, заданному в виртуальном адресе, из таблицы сегментов извлекается физический адрес соответствующей таблицы страниц.
По номеру виртуальной страницы, заданному в виртуальном адресе, из таблицы страниц извлекается дескриптор, в котором указан номер физической страницы.
К номеру физической страницы пристыковывается младшая часть виртуального адреса — смещение.
Сегментация - это деление памяти на сегменты. Это механизм адресации, обеспечивающий существование нескольких независимых адресных пространств как в пределах одной задачи, так и в системе в целом для защиты задач от взаимного влияния. С точки зрения разработчиков программного обеспечения, сегментация дает удобный способ совместного использования информации несколькими процессами. Конкретный сегмент может использоваться совместно с другими без нарушения требований его защиты. Сегментация также предполагает естественное разделение программных строк и данных и отделение модуля от модуля. [1]
Содержание
Аппаратная реализация
В системе, использующей сегментацию, адреса памяти компьютера состоят из идентификатора сегмента и смещения в сегменте. Аппаратный блок управления памятью (MMU) ответственен за перевод сегмента и смещения в адрес физической памяти, и за выполнение проверок, чтобы удостовериться, что перевод может быть произведен и что ссылка на сегмент и смещение разрешены.
У каждого сегмента есть длина и связанный с ним набор полномочий (например, чтение, запись, выполнение). Процессу позволяют сделать ссылку в сегмент в том случае, если тип ссылки разрешен полномочиями, и если смещение в сегменте находится в диапазоне, определенном длиной сегмента. Иначе возникает ошибка сегментации.
Сегменты могут также использоваться, чтобы реализовать виртуальную память. В этом случае у каждого сегмента есть связанный флаг, указывающий, присутствует ли сегмент в оперативной памяти или нет. Если сегмент, к которому получают доступ, не присутствует в оперативной памяти, выбрасывается исключение, и операционная система считает сегмент в память из внешнего хранилища.
Сегментация - это один метод реализации защиты памяти. Разбивка на страницы - другой, и они могут быть объединены. Размер сегмента памяти обычно не фиксирован и может иметь размер в 1 байт.
Сегментация была реализована несколькими различными способами на различных аппаратных средствах, с или без разбивки на страницы. Сегментация памяти Intel x86 не соответствует ни одной модели и обсуждена отдельно ниже.
Сегментация без разбиения на страницы
Связанная с каждым сегментом информация, которая указывает, где сегмент расположен в памяти— база сегмента. Когда программа ссылается на ячейку памяти, смещение добавляется к базе, чтобы генерировать адрес физической памяти.
Реализация виртуальной памяти в системе, используя сегментацию без разбивки на страницы требует, чтобы все сегменты перемещались между оперативной памятью и внешней памятью. Когда сегмент загружен, операционная система должна выделить достаточное количество непрерывной свободной памяти, чтобы содержать весь сегмент. Часто результатом фрагментации является невозможность выделить именно непрерывный участок заданной памяти.
Сегментация с разбиением на страницы
Вместо фактической ячейки памяти информация о сегменте включает адрес таблицы страниц для сегмента. Когда программа ссылается на ячейку памяти, смещение переводится в адрес памяти, используя таблицу страниц. Сегмент может быть расширен, просто выделением другой страницы памяти и добавлением ее к таблице страниц сегмента.
Совместное использование сегментов
Сегментирование физической памяти не только не позволяет виртуальной памяти отъедать физическую, но также даёт возможность совместного использования физических сегментов с помощью виртуальных адресных пространств разных процессов.
Если дважды запустить задачу А, то кодовый сегмент у них будет один и тот же: в обеих задачах выполняются одинаковые машинные инструкции. В то же время у каждой задачи будут свои стек и куча, поскольку они оперируют разными наборами данных.
При этом оба процесса не подозревают, что делят с кем-то свою память. Такой подход стал возможен благодаря внедрению битов защиты сегмента (segment protection bits).
Для каждого создаваемого физического сегмента ОС регистрирует значение bounds, которое используется MMU для последующей переадресации. Но в то же время регистрируется и так называемый флаг разрешения (permission flag). Поскольку сам код нельзя модифицировать, то все кодовые сегменты создаются с флагами RX. Это значит, что процесс может загружать эту область памяти для последующего выполнения, но в неё никто не может записывать. Другие два сегмента — куча и стек — имеют флаги RW, то есть процесс может считывать и записывать в эти свои два сегмента, однако код из них выполнять нельзя. Это сделано для обеспечения безопасности, чтобы злоумышленник не мог повредить кучу или стек, внедрив в них свой код для получения root-прав. Так было не всегда, и для высокой эффективности этого решения требуется аппаратная поддержка. В процессорах Intel это называется “NX bit”.
Флаги могут быть изменены в процессе выполнения программы, для этого используется mprotect().
Под Linux все эти сегменты памяти можно посмотреть с помощью утилит /proc//maps или /usr/bin/pmap.
Вот пример на PHP:
Здесь есть все необходимые подробности относительно распределения памяти. Адреса виртуальные, отображаются разрешения для каждой области памяти. Каждый совместно используемый объект (.so) размещён в адресном пространстве в виде нескольких частей (обычно код и данные). Кодовые сегменты являются исполняемыми и совместно используются в физической памяти всеми процессами, которые разместили подобный совместно используемый объект в своём адресном пространстве.
Shared Objects — это одно из крупнейших преимуществ Unix- и Linux-систем, обеспечивающее экономию памяти.
Также с помощью системного вызова mmap() можно создавать совместно используемую область, которая преобразуется в совместно используемый физический сегмент. Тогда у каждой области появится индекс s, означающий shared.
Ограничения сегментации
Итак, сегментация позволила решить проблему неиспользуемой виртуальной памяти. Если она не используется, то и не размещается в физической памяти благодаря использованию сегментов, соответствующих именно объёму используемой памяти.
Но это не совсем верно.
Допустим, процесс запросил у кучи 16 Кб. Скорее всего, ОС создаст в физической памяти сегмент соответствующего размера. Если пользователь потом освободит из них 2 Кб, тогда ОС придётся уменьшить размер сегмента до 14 Кб. Но вдруг потом программист запросит у кучи ещё 30 Кб? Тогда предыдущий сегмент нужно увеличить более чем в два раза, а возможно ли это будет сделать? Может быть, его уже окружают другие сегменты, не позволяющие ему увеличиться. Тогда ОС придётся искать свободное место на 30 Кб и перераспределять сегмент.
Главный недостаток сегментов заключается в том, что из-за них физическая память сильно фрагментируется, поскольку сегменты увеличиваются и уменьшаются по мере того, как пользовательские процессы запрашивают и освобождают память. А ОС приходится поддерживать список свободных участков и управлять ими.
Фрагментация может привести к тому, что какой-нибудь процесс запросит такой объём памяти, который будет больше любого из свободных участков. И в этом случае ОС придётся отказать процессу в выделении памяти, даже если суммарный объём свободных областей будет существенно больше.
ОС может попытаться разместить данные компактнее, объединяя все свободные области в один большой чанк, который в дальнейшем можно использовать для нужд новых процессов и перераспределения.
Но подобные алгоритмы оптимизации сильно нагружают процессор, а ведь его мощности нужны для выполнения пользовательских процессов. Если ОС начинает реорганизовывать физическую память, то система становится недоступной.
Читайте также: