Понятие виртуальной памяти

Для большинства типичных применений ВМ характерна ситуация, когда разме­щение всей программы в ОП невозможно из-за ее большого размера. В этом, одна­ко, и нет принципиальной необходимости, поскольку в каждый момент времени «внимание» машины концентрируется на определенных сравнительно небольших участках программы. Таким образом, в ОП достаточно хранить только используе­мые в данный период части программ, а остальные части могут располагаться на внешних ЗУ (ВЗУ). Сложность подобного подхода в том, что процессы обраще­ния к ОП и ВЗУ существенно различаются, и это усложняет задачу программиста. Выходом из такой ситуации было появление в 1959 году идеи виртуализации па­мяти, под которой понимается метод автоматического управления иерархи­ческой памятью, при котором программисту кажется, что он имеет дело с единой памятью большой емкости и высокого быстродействия. Эту память называют вир­туальной (кажущейся) памятью. По своей сути виртуализация памяти представ­ляет собой способ аппаратной и программной реализации концепции иерархичес­кой памяти.

В рамках идеи виртуализации памяти ОП рассматривается как линейное про­странство N адресов, называемое физическим пространством памяти. Для задач, где требуется более чем N ячеек, предоставляется значительно большее простран­ство адресов (обычно равное общей емкости всех видов памяти), называемое виртуальным пространством, в общем случае не обязательно линейное. Адреса виртуального пространства называют виртуальными, а адреса физического про­странства — физическими. Программа пишется в виртуальных адресах, но поскольку для ее выполнения нужно, чтобы обрабатываемые команды и данные находились в ОП, требуется, чтобы каждому виртуальному адресу соответствовал физичес­кий. Таким образом, в процессе вычислений необходимо, прежде всего, перепи­сать из ВЗУ в ОП ту часть информации, на которую указывает виртуальный адрес (отобразить виртуальное пространство на физическое), после чего преобразовать виртуальный адрес в физический.

Среди систем виртуальной памяти можно выделить два класса: системы с фик­сированным размером блоков (страничная организация) и системы с переменным размером блоков (сегментная организация). Оба варианта обычно совмещают (сегментно-страничная организация).

Массивы магнитных дисков с избыточностью

Магнитные диски, будучи основой внешней памяти любой ВМ, одновременно ос­таются и одним из «узких мест» из-за сравнительно высокой стоимости, недоста­точной производительности и отказоустойчивости. Характерно, что если в плане стоимости и надежности ситуация улучшается, то разрыв в производительности между МД и ядром ВМ постоянно растет. Так, при удвоении быстродействия про­цессоров примерно каждые два года для МД такое удвоение было достигнуто лишь спустя десять лет. Ясно, что уже с самого начала использования подсистем памяти на базе МД не прекращаются попытки улучшить их характеристики. Одно из наибо­лее интересных и универсальных усовершенствований было предложено в 1987 году учеными университета Беркли (Калифорния) [179]. Проект известен под аббре­виатурой RAID (Redundant Array of Independent (or Inexpensive) Disks) — массив независимых (или недорогих) дисков с избыточностью. В основе концепции RAID лежит переход от одного физического МД большой емкости к массиву недорогих, независимо и параллельно работающих физических дисковых ЗУ, рассматривае­мых операционной системой как одно большое логическое дисковое запоминаю­щее устройство. Такой подход позволяет повысить производительность дисковой памяти за счет возможности параллельного обслуживания запросов на считыва­ние и запись, при условии, что данные находятся на разных дисках. Повышенная надежность достигается тем, что в массиве дисков хранится избыточная информа­ция, позволяющая обнаружить и исправить возможные ошибки. На период, когда концепция RAID была впервые предложена, определенный выигрыш достигался и в плане стоимости. В настоящее время, с развитием технологии производства МД, утверждение об экономичности массивов RAID становится проблематичным, что, однако, вполне компенсируется их повышенными быстродействием и отказо­устойчивостью.

Было предложено пять схем организации данных и способов введения избы­точности, названные авторами уровнями RAID: RAID I, RAID 2,..., RAID 5. В на­стоящее время производители RAID-систем, объединившиеся в ассоциацию RAB (RAID Advisory Board), договорились о единой классификации RAID, включаю­щей в себя шесть уровней (добавлен уровень RAID 0). Известны также еще не­сколько схем RAID, не включенных в эту классификацию, поскольку по сути они представляют собой различные комбинации стандартных уровней. Хотя ни одна из схем массива МД не может быть признана идеальной для всех случаев, каждая из них позволяет существенно улучшить какой-то из показателей (производитель­ность, отказоустойчивость) либо добиться наиболее подходящего сочетания этих показателей. Для всех уровней RAID характерны три общих свойства:

 RAID представляет собой набор физических дисковых ЗУ, управляемых опе­рационной системой и рассматриваемых как один логический диск;

 данные распределены по физическим дискам массива;

 избыточное дисковое пространство используется для хранения дополнитель­ной информации, гарантирующей восстановление данных в случае отказа диска.