Визначити особливості організації та формування фізичної адреси при сторінковому розподілі основної памяті.

Сегментний спосіб організації віртуальної пам'яті

Першим серед розривних методів розподілу пам'яті був сегментний. Для цього методу програму необхідно розбивати на частині і вже кожній такій частині виділяти фізичну пам'ять. Природним способом розбивки програми на частині є розбивка її на логічні елементи — так називані сегменти. Кожен сегмент розміщується в пам'яті як самостійна одиниця.Логічно звертання до елементів програми в цьому випадку буде представлятися як вказівка імені сегмента і зсуву відносно початку цього сегменту. Фізично ім'я (або порядковий номер) сегменту буде відповідати деякій адресі, з якого цей сегмент починається при його розміщенні в пам’яті, і зсув повинний додаватися до цієї базової адреси.Кожен сегмент, розташований у пам'яті, має відповідну інформаційну структуру, часто називану дескриптором сегмента. Саме операційна система будує для кожного процесу, що виконується, відповідну таблицю дескрипторів сегментів і при розміщенні кожного з сегментів в оперативній чи зовнішній пам'яті в дескрипторі відзначає його поточне місцезнаходження. Отже, якщо необхідного сегмента в оперативній пам'яті немає, то виникає переривання і керування передається через диспетчер пам'яті програмі завантаження сегмента. Поки відбувається пошук сегмента в зовнішній пам'яті і завантаження його в оперативну, диспетчер пам'яті визначає придатне для сегмента місце.Якщо вільного місця немає, то приймається рішення про вивантаження якого-небудь сегмента і його переміщення в зовнішню пам'ять. Для рішення проблеми заміщення (визначення того сегмента, який повинний бути або переміщений у зовнішню пам'ять, або просто заміщений новим) використовуються наступні дисципліни (їх наз. дисциплінами заміщення):правило FIFO (first in — first out: «перший прийшов першим і вибуває»);правило LRU (1еаst recently used: «довше всього невикористовуваний»);правило LFU (1еаst frequently used: «використовуваний рідше всіх інших»);випадковий (random) вибір сегмента.Перша й остання дисципліни є найпростішими в реалізації, але вони не враховують, наскільки часто використовується той чи інший сегмент і, отже, диспетчер пам'яті може чи вивантажити той сегмент, до якого в найближчому майбутньому буде звертання.

Алгоритм FIFO асоціює з кожним сегментом час, коли він був поміщений у пам'ять. Для заміщення вибирається найбільш старший сегмент. Для реалізації дисциплін LRU і LFU необхідно, щоб процесор мав додаткові апаратні засоби. Мінімальні вимоги — складання списку, упорядкованого або по тривалості не використання (для дисципліни LRU), або по частоті використання (для дисципліни LFU).

Сторінковий спосіб організації віртуальної пам'яті. При такому способі усі фрагменти програми, на які вона розбивається (за винятком останньої її частини), виходять однаковими. Ці однакові частини називають сторінками і говорять, що пам'ять розбивається на фізичні сторінки, а програма — на віртуальні сторінки. Частина віртуальних сторінок задачі розміщається в оперативній пам'яті, а частина — у зовнішній. Місце в зовнішній пам'яті називають файлом підкачки або сторінковим файлом (swap-файлом), тим самим підкреслюючи, що записи цього файлу — сторінки — заміщають один одного в оперативній пам'яті.Розбивка всієї оперативної пам'яті на сторінки однакової величини приводить до того, що замість одномірного адресного простору пам'яті використовується двовимірний. Перша координата адресного простору — це номер сторінки, а друга координата — номер комірки всередині обраної сторінки (його називають індексом). Для відображення віртуального адресного простору задачі на фізичну пам'ять, як і у випадку із сегментним способом організації, для кожної задачі необхідно мати таблицю сторінок для трансляції адресних просторів. Для опису кожної сторінки диспетчер пам'яті ОС заводить відповідний дескриптор, що відрізняється від дескриптора сегмента тим, що в ньому немає необхідності мати поле довжини — адже всі сторінки мають однаковий розмір. При звертанні до віртуальної сторінки, якої не має в даний момент у оперативної пам'яті, виникає переривання і керування передається диспетчеру пам'яті, що повинний знайти вільне місце. Звичайно надається перша вільна сторінка. Якщо вільної фізичної сторінки немає, то диспетчер пам'яті по одній з вищезгаданих дисциплін заміщення (LRU, LFU, FIFO, random) визначить сторінку, що підлягає розформуванню або збереженню в зовнішній пам'яті.

Якщо обсяг фізичної пам'яті невеликий і навіть часто використовувані сторінки не вдається розмістити в оперативній пам'яті, то виникає так звана пробуксовка — ситуація, при якій завантаження потрібної нам сторінки викликає переміщення в зовнішню пам'ять тієї сторінки, з яким ми теж активно працюємо.Таким чином, найважливішою перевагою сторінкового способу організації пам’яті є мінімальна фрагментація. Цей метод можна було назвати найкращим, якщо б не наступних дві обставини.Перша – сторінкова трансляція віртуальної пам’яті вимагає суттєвих накладних витрат. Таблиці сторінок необхідно розміщати теж в пам’яті. Крім цього ці таблиці необхідно обробляти – з ними працює диспетчер пам’яті. Друга – програми розбиваються на сторінки випадково, без обліку логічних зв’язків. Це приводить до того, що міжсторінкові переходи відбуваються частіше ніж міжсегментні і стає важко організовувати поділ програмних модулів між процесами, що виконуються.Для того щоб уникнути другого недоліку, зберігши достоїнства сторінкового способу організації пам’яті, було запропоновано ще один спосіб – сегментно-сторінковий. Сегментно-сторінковий спосіб організації віртуальної пам'яті Як і в сегментному способі розподілу пам'яті, програма розбивається на логічно закінчені частини — сегменти — і віртуальна адреса містить вказівку на номер відповідного сегмента. Друга складова віртуальної адреси — зсув відносно початку сегмента — у свою чергу, може складатися з двох полів: віртуальної сторінки й індексу. Іншими словами, виходить, що віртуальна адреса тепер складається з трьох компонентів: сегмент, сторінка, індекс.Цей спосіб організації віртуальної пам'яті вносить ще більшу затримку доступу до пам'яті. Необхідно спочатку обчислити адресу дескриптору сегмента і прочитати його, потім обчислити адресу елементу таблиці сторінок цього сегменту і витягти з пам'яті необхідний елемент, і вже тільки після цього можна до номера фізичної сторінки приписати номер комірки в сторінці (індекс). Затримка доступу до шуканої комірки виходить принаймні в три рази більше, ніж при простій прямій адресації.Щоб уникнути цієї неприємності, вводиться кешування, причому кеш, як правило, будується по асоціативному принципі.

9.Визначення поняття віртуальної пам`яті і особливості її реалізації в сучасних системах.

Віртуа́льна па́м'ять — схема адресації пам'яті комп'ютера, при якій пам'ять для запущеної програми реалізується однорідним масивом, в той час як насправді операційна система виділяє пам'ять блоками в різних видах пам'яті, включаючи короткочасну (оперативну) і довгочасну (жорсткі диски, твердотільні нагромаджувачі).

Також під віртуальною пам'яттю часто розуміють файл підкачки (Windows -системи), або окремий розділ на диску (Unix -системи). Ця пам'ять використовується для того, щоб дати можливість системі або користувачу одночасно виконувати більшу кількість програм, ніж це дозволяє фізична оперативна пам'ять.Віртуальну пам'ять підтримують процесори, що працюють у захищеному режимі, починаючи з 80286, але широко стали використовувати тільки в операційних системах і оболонках для 32-розрядних процесорів (80386+).Віртуальна пам'ять використовується лише за наявності додаткової пам'яті, а її максимальний обсяг визначається розміром файлу підкачки, що виділяється на жорсткому диску на потреби віртуальної пам'яті. Основний параметр, що має відношення до системи віртуальної пам'яті — розмір файлу (або декількох файлів) підкачки.