Страничный способ организации виртуальной памяти.

Способ разрывного размещения задач в памяти при котором все фрагменты задачи одинакового размера кратного степени двойки называется страничным, а фрагменты страницами. В этом случае память разбивается на физические страницы (кадры, фреймы). А программа разбивается на виртуальные страницы. Часть виртуальных страниц размещается в ОЗУ, а часть во внешней памяти. Место на жестком диске, где размещаются виртуальные страницы называют файлом подкачки или страничным файлом (SWAP-файл). Чтобы подчеркнуть, что записи этого файла-страницы замещают друг друга в ОЗУ в некоторых операционных системах виртуальные страницы располагаются не в файле, а в специальном разделе диска.

Физический адрес ячейки памяти определяется парой (P_p, i), а виртуальный (P_v, i). P_v – номер виртуальной страницы, P_p – номер физической страницы, а I – номер ячейки (индекс) внутри страницы. Для отображения виртуального адресного пространства на физическую память для каждой задачи необходимо иметь таблицы страниц для трансляции адресных пространств. Для описания каждой страницы диспетчер памяти операционной системы заводит соответствующий дескриптор. По номеру виртуальной страницы в таблице дескрипторов текущей задачи находится соответствующий элемент (дескриптор). Если бит присутствия равен единице, то данная страница находится в ОЗУ и в дескрипторе находится номер физической страницы, отведенной под данную виртуальную страницу.

Защита страничной памяти основана на контроле уровня доступа каждой страницы. Существующие уровни доступа: только чтения, чтение и запись, только выполнение. Каждая страница снабжается соответствующим кодом. При обращении к виртуальной странице отсутствующей в физической памяти возникает прерывание и управление передается диспетчеру памяти, который должен найти свободное место. Если свободной страницы нет, то диспетчер памяти, по одной из дисциплин замещения определит страницу подлежащую расформированию или сохранению во внешней памяти. На её место он разместит виртуальную страницу к которой было обращение из задачи. Диспетчер памяти выбирает для замещения ту страницу, на которую не было ссылки на протяжении наиболее длительного периода времени.

Дисциплина замещения – Least Recently Used связывает с каждой страницей время последнего её использования.

В Windows 2000 она называется FIFO. Страничный механизм приводит к тому, что без специальных аппаратных средств он существенно замедляет работу вычислительной системы. Поэтому обычно используют кэширование страничных дескрипторов. В микропроцессоре i80*86 используется кэш на 32 страничных дескриптора. Поскольку размер страницы в этих микропроцессорах 4Кб, то возможно быстрое обращение к 128Кб памяти.

Основным достоинством страничной организации является минимально возможная фрагментация, поскольку на каждую задачу может приходится по одной незаполненной странице.

Недостатки:

1) Накладные расходы, т.е. таблицы страниц нужно размещать в памяти и их нужно обрабатывать.

2) Программы разбиваются на страницы случайно без учета логических взаимосвязей имеющихся в коде программы. Поэтому межстраничные переходы осуществляются чаще нежели межсегментные и трудно организовать разделение программных модулей между выполняющимися программами.

Основные понятия и концепции организации ввода-вывода.

По функциональному назначению внешние устройства, подключаемые к компьютеру делятся на следующие категории:

1) Устройства внешней памяти:

a) Устройства памяти с произвольным доступом (дискеты, магнитные, оптические и магнитооптические диски) Direct Access Storage Device.

b) Устройства памяти с последовательным доступом (стримеры)

2) Сетевые и коммуникационные устройства (модем, сетевые адаптеры)

3) Устройства алфавитно-цифрового ввода/вывода (телетайпы, текстовые терминалы)

4) Устройства звукового ввода/вывода

5) Устройства графического ввода/вывода (сканер, плоттеры, видео кодеры)

6) Позиционные устройства ввода/вывода (дигитайзеры, световые перья, мыши)

7) Датчики и исполнительные устройства управляющих систем

Нередко в эту классификацию вводят ещё один уровень. Устройства ввода делят на пассивные (выдающие данные только по команде центрального процессора) и активные (могут порождать данные по своей инициативе – клавиатуры, мыши, сетевые адаптеры, таймеры и датчики управляющих устройств).

По отношению центрального процессора к выполняющейся на нем программе внешние устройства представляют собой набор специализированных ячеек памяти или регистров. Регистры устройств подключаются к шинам адреса и данных вычислительной системы. Внешнее устройство имеет адресный дешифратор. Если выставленный по шине адрес соответствует адресу одного из регистров устройства дешифратор подключает соответствующий регистр к шине данных. Таким образом, регистры устройства получают адреса в физическом адресном пространстве микропроцессора

Существует два основных подхода к адресации этих режимов:

1) отдельные адресные пространства ввода/вывода

2) отображаемый в память ввод/вывод, когда память и регистры внешнего устройства размещаются в одном адресном пространстве

В первом случае для обращения к регистрам используется команды IN и OUT. Во втором случае могут использоваться любые команды, работающие с операндами в памяти.

шины, указывающей какое из адресных пространств используется в данном случае.

Используют 2 основных подхода к выделению адресов

· Фиксированная адресация, когда одно и тоже устройство всегда имеет один и тот же адрес реестра.

· Географическая, когда каждому разъёму периферийной шины соответствует свой диапазон адресов.

При географической адресации перемещение платы устройства в другой разъём приводит к переконфигурации операционной системы. Однако, этот способ исключает возможность конфликта адресов между устройствами разных производителей или между двумя однотипными устройствами.

Большинство периферийных шин современных компьютеров (PSI) организуют географическую адресацию. Многие операционные системы требуют, чтобы устройства имели конфигурационные регистры через обращение к которым операционная система может выдать информацию об устройстве:

1. фирму изготовителя

2. модель

3. версию

4. количество регистров

Наличие регистров позволяет операционной системе автоматически определять установленное оборудование и подгружать соответствующие управляющие модули.