Органитзация виртуальной памяти

Работа схемы.

Схема преобразования адресов содержит два регистра адресов: регистр математического адреса (РМА) и регистр физического адреса (РФА).

Регистр математического адреса содержит три поля: номер раздела, номер страницы и номер байта.

Регистр физического адреса содержит два поля: номер страницы и номер байта.

Для преобразования математического адреса в физический адрес номер раздела (М) из регистра РМА складывается с базовым адресом каталога из регистра БА ТФС (в МП IA-32 — это CR0) и производится обращение к оперативной памяти по сформированному адресу.

Обращение производится к строке М каталога, в которой записан адрес таблицы физических страниц раздела М и признак доступности. При нулевом значении признака доступности адрес таблицы физических страниц складывается с номером страницы математических страниц (N) и производится второе обращение к оперативной памяти по сформированному адресу.

Обращение производится к странице N раздела М таблицы математических страниц, в которой записан двадцатиразрядный физический адрес страницы и признак доступности. При нулевом значении признака доступности выбранный номер физической страницы фиксируется в регистре физического адреса, где к нему добавляются двенадцать разрядов номера байта, и производится третье обращение к оперативной памяти для выборки команды или данных.

В случае обнаружения отрицательного (единичного) признака доступности, производится прерывание по страничному промаху. Программа прерывания реализует процедуру листания (замену таблицы раздела или физических страниц с сохранением в памяти на магнитных дисках модифицированных страниц).

Рассмотренный алгоритм работы виртуальной памяти предусматривает три обращения к оперативной памяти: за адресом раздела, за адресом страницы и за операндом. Это недопустимо много.

Для увеличения быстродействия в механизм виртуальной памяти вводят буфер быстрой переадресации (TLB). Это набор регистров со схемами ассоциативного доступа.

Каждый регистр имеет три поля:

• · номера математической страницы (20 бит),
• · номера физической страницы (20 бит),
• · дополнительной информации.

Буфер быстрой переадресации обновляется при каждом обращении к каталогу и таблицам раздела физических адресов. Номер раздела M, номер математической страницы N и номер физической страницы сохраняются в свободном регистре буфера быстрой переадресации.

При каждом обращении к оперативной памяти проверяют наличие номеров математических страниц в буфере быстрой переадресации. При их наличии, номера физических страниц выбираются непосредственно из TLB.

В буфере быстрой переадресации реализован ассоциативный поиск информации по совпадению входной информации с содержимым полей номеров страниц математической памяти MN. На рис. 8.5 строка с совпадением информации отмечена затемнением.

Буфер быстрой переадресации расположен непосредственно в процессоре, и потери времени на процедуру переадресации соизмеримы с тактом работы процессора.

Одна страница (4 Кбайт) содержит 1024 двойных слова. С учетом локальности обращений (по времени и расположению) к командам программ и данным существует большая вероятность повторных обращений к этой же странице даже более 1024 раз. Но на первое обращение к данным и командам в новых страницах требуется до трех обращений к памяти, на остальные (1024) — по одному.

При переключении задач содержимое TLB должно сбрасываться, так как номера математических страниц в разных задачах могут совпадать.

В оперативной памяти для каждой задачи должны быть сформированы две таблицы: таблица каталога и таблица физических страниц одного раздела. Обмен страниц (подкачка данных и программ из внешней памяти в оперативную память и сохранение модифицированной информации) производится постранично.

Это относится и к страницам программных кодов, данных и управляющей информации (каталоги программ, таблицы физических страниц, строки TLB и т. д.). Сохранение в оперативной памяти «устаревших страниц» производится только для модифицированных страниц. Строки TLB, кроме полей номеров математической и физической страниц, содержат дополнительное поле. Информация этого поля используется в процедурах смены страниц (листания).

Основными битами этого поля являются:

• · d — бит присутствия страницы в оперативной памяти;
• · r - бит (обращения) к странице, используется при выборе кандидата на удаление из оперативной памяти;
• · m — бит модификации (записи) страницы, определяет необходимость сохранения содержимого страницы при удалении из оперативной памяти;
• · W — признак прав доступа по записи, определяет разрешение операции модификации данных в странице.

Алгоритмы листания

Это алгоритм определения страницы-кандидата на удаление из оперативной памяти при страничном промахе и загрузке новой страницы. В идеальном случае для минимизации процедур листания при страничных промахах из оперативной памяти должна удаляться страница, вероятность обращения к которой не больше, чем к любой другой странице.

В настоящее время наработано множество реализуемых алгоритмов листания. Наиболее известными из них являются алгоритмы:

• · случайного замещения,
• · удаления страницы, дольше других находившейся в ОП,
• · удаления страницы, меньше других находившейся в ОП,
• · удаления страницы из последней позиции в списке страниц, причем, при каждом обращении к странице ее место в списке перемещается на одну позицию к началу списка (алгоритм «карабкающейся страницы»),

Наиболее известными являются варианты алгоритма «рабочий комплект» .

В этом алгоритме задается определенный интервал времени, например, 1024 машинных такта. При каждом обращении к странице (по записи или чтению) страница помечается. Помеченные страницы образуют рабочий комплект. Состав рабочего комплекта может изменяться в последующих интервалах. Страницы, вышедшие из рабочего комплекта, образуют две очереди кандидатов на удаление: модифицированных (было обращение по записи) и не модифицированных в течение их нахождения в ОП. Кандидатами на удаление из ОП являются страницы из этих очередей с приоритетом у модифицированных страниц.

Организация виртуальной памяти в микро ЭВМ на основе МП i8х86

В МП этих архитектур можно выделить по режимам работы четыре программные модели:

• · реальный режим шестнадцатиразрядного микропроцессора МП i8086,
• · защищенный режим работы,
• · реальный режим тридцатидвухразрядного микропроцессора,
• · виртуальный режим 86.

Реальный режим шестнадцатиразрядного микропроцессора МП i8086

Это основной режим 8-и 16-разрядных первых персональных ЭВМ, программно совместимых с IBM PC (режим МП IA-16).

Защищенный режим работы

Это основной 32-разрядный режим работы для 32-разрядных микропроцессоров МП IA (Intel архитектуры). В этом режиме доступны все команды и все архитектурные возможности. Используется механизм виртуальной памяти, все встроенные средства защиты, процедура переключения задач (режим МП IA-32). Дополнительными режимами для них являются реальный и виртуальный 86 (режим V86).

Реальный режим 32-разрядного микропроцессора

Это 16-разрядный режим адресации и обработки данных с прямым обращением к памяти. Режим эмулирует программную среду (модель) МП 8086 с некоторыми дополнительными возможностями, включая новые РОНы, часть новых команд и расширений как адресов, так и данных. Но в любом случае, 32-разрядное смещение в сегменте не должно превышать значения 65 535 (64 Кбайт).

При запуске или перезагрузке МП устанавливается именно реальный режим. Он используется для подготовки программной среды для работы в защищенном режиме.

Виртуальный режим 86

Это разновидность формы эмуляции модели 8086. Здесь нет прямой адресации памяти. В этом режиме применяются механизмы защиты и виртуальной памяти. Виртуальный режим 86 устанавливается из защищенного (для запуска программ, написанных для реального режима) с возможностью возврата в защищенный режим.

Одна из особенностей МП Intel — это использование сегментированной памяти. 16-разрядная адресация позволяла адресовать только 216 = 65 536 байт (64 Кбайт). Модель структурированной математической памяти, состоящая из 16 сегментов по 65 536 байт (64 Кбайт), позволил увеличить адресное пространство математической памяти в реальном режиме до 220 = 1 048 576 (1 Мбайт).

Дескрипторы сегментов. В реальных режимах МП IA-16 и МП IA-32, сегментные регистры содержат непосредственно базовый адрес сегмента.

В защищенном режиме МП IA-32 задание сегментов производится с использованием специальных программных объектов — дескрипторов сегментов.

Дескриптор сегмента является 64-битовым поисковым образом сегментов. Дескриптор сегмента определяет тип сегмента, расположение в памяти (базовый адрес и размер), права доступа и использования.

Основными полями дескрипторов являются:

• · базовый адрес сегмента (32 бита),
• · размер сегмента (20 бит),
• · поле атрибутов (12 бита).

Поле атрибутов содержит:

• · бит дробности G (Granularity — 4 разряда),
• · тип сегмента,
• · настройки прав доступа и использования (8 разрядов).

На рис биты полей дескрипторов для наглядности сгруппированы в отдельные массивы смежных адресов.

Дескрипторы шлюзов программ

Шлюзы (Gate) — это точки входа в программы (программный сегмент). В МП IA-32 вызов процедур операционной системы (передача управления с повышением уровня привилегий) производится только с использованием шлюзов и только по командам передачи управления с возможностью возврата (запрещено использование команды Jmp).

Дескриптор шлюза программных сегментов содержит три поля:

• · селектора сегмента,
• · смещения в сегменте (offset),
• · атрибутов.

Селектор сегмента

Все дескрипторы, кроме дескрипторов прерываний (дескрипторы сегментов, задач, шлюзов сегментов или задач), хранятся в оперативной памяти в специальных таблицах GDT (глобальная таблица дескрипторов) и LDT (локальная таблица дескрипторов).

В глобальной таблице дескрипторов хранятся все сегменты операционной системы.

Локальные таблицы дескрипторов формируются на каждую задачу (программу, находящуюся в стадии исполнения, возможно, с разделением по времени). Но в каждый момент времени активны только две таблицы: GDT и одна из LDT. Обращение к таблицам производится по селектору сегмента.

Селектор сегмента определяет дескриптор используемого кодового сегмента, т. е. целевой сегмент. Селектор сегмента содержит следующие поля:

• · индекс (13 бит) — используется как адрес в таблице целевого дескриптора (указателя «целевой» строки таблицы дескрипторов),
• · бит типа «целевой» таблицы дескрипторов; при нулевом значении G/L — выбирается GDT, иначе LDT,
• · поле уровня привилегии запроса (в рассматриваемой конструкции не используется).

Смещение в сегменте (offset)

Смещение в сегменте в программных сегментах определяет точку входа в сегмент. (По селектору дескриптора шлюза определяется целевой кодовый сегмент, а по смещению в сегменте — адрес первой команды).

Атрибуты сегмента

Атрибуты сегмента определяют тип сегмента, права использования, доступность программной процедуры по уровням привилегий, а также задают размер параметров, передаваемых в процедуру через стек.

Вопросы и/или темы для самопроверки:

• 1. Максимальный размер сегмента в МП IA-32.
• 2. Максимальное количество сегментов в МП IA-32.
• 3. Чем определяется максимальное количество сегментов в МП IA-32.
• 4. Максимальный размер математической памяти сегментов в МП IA-32.
• 5. Максимальный адрес обращения к оперативной памяти без использования трансляции страниц.
• 6. Назначение дескрипторов
• 7. Таблица GDT
• 8. Таблица LDT