Реферат: Операционные системы. Ввод-вывод. Управление памятью. Методы, алгоритмы и средства К средствам управления памятью относятся

Дата: 06.07.2023

Транскрипт

2 Управление памятью в операционных системах.

3 Физическое ОЗУ (Random Access Memory, RAM) Физическое ОЗУ (Random Access Memory, RAM) представляет собой компонент, который "разделён" на некоторое количество ячеек, которые могут хранить в себе комбинации битов. Ячейки отличаются друг от друга номером, который ОЗУ воспринимает с "шины адреса", а связь содержимого ячейки с внешним миром осуществляется посредством "шины данных". Цикл памяти Процессор, устанавливает адрес M на "шину адреса" и ставит на "шину управления сигнал "чтение". ОЗУ выставляет содержимое своей ячейки с таким номером на "шину данных" и ставит на шину управления сигнал "готово". Процессор воспринимает состояние шины данных и убирает сигнал "читать". Запись в ОЗУ процессор ставит на шину данных число, подлежащее записи, на шину адреса номер записываемой ячейки, а на шину управления сигнал "запись". ОЗУ воспринимает состояние шины данных и сохраняет его в ячейке с номером M.

4 Память и отображения, виртуальное адресное пространство Логическое(символьное имя) Виртуальное адресное пространство Виртуальный адрес Система программирования Операционная система Физическая память компьютера Ячейка оперативной памяти (физический адрес)

5 Память и отображения, виртуальное адресное пространство Общая схема двухэтапного отображения адресов с позиции соотношения объемов упомянутых адресных пространств можно отметить наличие следующих трех ситуаций: объем виртуального адресного пространства программы Vv меньше объема физической памяти Vp (Vv < Vp); объем виртуального адресного пространства программы Vv равен объему физической памяти Vp (Vv = Vp); объем виртуального адресного пространства программы V^ больше объема физической памяти Vp (Vv > Vp). Выделим основные концепции организации и управления виртуальной памятью. Суть концепции виртуальной памяти заключается в том, что адреса, к которым обращается выполняющийся процесс, отделяются от адресов, реально существующих в первичной (физической) памяти. Те адреса, на которые делает ссылки выполняющийся процесс, называются виртуальными, а те адреса, которые существуют в первичной памяти, называются реальным адресами. Диапазон виртуальных адресов, к которым может обращаться выполняющийся процесс, называется пространством виртуальных адресов V этого процесса. Диапазон реальных адресов, существующих в конкретной машине, называется пространством реальных адресов R этого компьютера.

6 Память и отображения, виртуальное адресное пространство Общая схема двухэтапного отображения адресов с позиции соотношения объемов упомянутых адресных пространств можно отметить наличие следующих трех. Для установления соответствия между виртуальными и реальными адресами разработаны различные способы. Чаще всего используется так называемый механизм динамического преобразования адресов (DAT), который обеспечивает преобразование виртуальных адресов в реальные во время выполнения процесса. Виртуальная память. Механизм отображения адресов Реальная память { Смежные ячейки виртуальной памяти.

7 Память и отображения, виртуальное адресное пространство Кроме преобразования виртуальных адресов в реальные, перед системой с виртуальной памятью стоит еще одна задача выгружать на диск часть содержимого памяти, когда она переполняется. При этом ОС определяет, какие данные можно удалить из основной памяти и поместить на временное хранение в файл на жестком диске, который называется файлом подкачки

8 Простое непрерывное распределение и распределение с перекрытием Общие принципы управления памятью в однопрограммных операционных системах Простое непрерывное распределение это самая простая схема, согласно которой вся память условно может быть разделена на три области: область, занимаемая операционной системой; область, в которой размещается исполняемая задача; незанятая ничем (свободная) область памяти. Програм мный можуль Програм мный можуль ЯДРО ОС Програм мный можуль ЗАДАЧА

9 Распределение оперативной памяти в MS DOS MS DOS это однопрограммная операционная система для персонального компьютера типа IBM PC. Cистема MS DOS предназначена для выполнения только одного вычислительного процесса. В состав MS DOS входят следующие основные компоненты: Подсистема BIOS (Base Input Output System базовая подсистема вводавывода), включающая в себя помимо программы POST (Power On Self Test самотестирование при включении компьютера) программные модули обработки прерываний, с помощью которых можно управлять основными контроллерами на материнской плате компьютера и устройствами вводавывода. Модуль расширения BIOS файл IO.SYS Основной, или базовый, модуль обработки прерываний DOS файл MSDOS.SYS. Командный процессор (интерпретатор команд) файл C0MMAND.COM. Утилиты и драйверы, расширяющие возможности системы Программа загрузки MS DOS загрузочная запись (Boot Record, BR), расположенная на дискете или на жестком диске

10 Распределение оперативной памяти в MS DOS Распределение памяти в ней построено по схеме простого непрерывного распределения. Система поддерживает механизм распределения памяти с перекрытием (оверлейные структуры). Память в соответствии с архитектурой IBM PC условно может быть разбита на следующие три части. В самых младших адресах памяти (первые 1024 ячейки) размещается таблица векторов прерывания. Вторая часть памяти отводится для программных модулей самой системы MS DOS и для программ пользователя. Наконец, третья часть адресного пространства отведена для постоянных запоминающих устройств и функционирования некоторых устройств ввода вывода. Эта область памяти получила название UMA (Upper Memory Area область памяти, адрес которой выше основной). В младших адресах основной памяти размещается то, что можно условно назвать ядром этой операционной системы системные переменные, основные программные модули, блоки данных для буферизации операций ввода вывода. Перечень устанавливаемых драйверов определяется специальным конфигурационным файлом CONFIG.SYS. После загрузки расширения BIOS файла IO.SYS последний (загрузив модуль MSDOS.SYS) считывает файл CONFIG.SYS и уже в соответствии с ним подгружает в память необходимые драйверы.

11 Распределение оперативной памяти в MS DOS Широкое распространение получили две основные спецификации: XMS (Extended Memory Specification) и EMS (Expanded Memory Specification). Последние годы система MS DOS практически перестала применяться. Теперь ее используют в основном для запуска некоторых утилит, с помощью которых подготавливают дисковые устройства, или для установки других операционных систем. И поскольку основным утилитам, необходимым для обслуживания персонального компьютера, спецификации EMS и XMS, как правило, не нужны, мы не будем здесь их рассматривать. Для того чтобы предоставить больше памяти программам пользователя, в MS DOS применено то же решение, что и во многих других простейших операционных системах, командный процессор COMMAND.COM состоит из двух частей: Первая часть является резидентной и размещается в области ядра, вторая часть транзитная и размещается в области старших адресов раздела памяти, выделяемой для программ пользователя. И если программа пользователя перекрывает собой область, в которой была расположена транзитная часть командного процессора, то последний при необходимости восстанавливает в памяти свою транзитную часть, поскольку после выполнения программы она возвращает управление резидентной части COMMAND.COM.

12 Распределение памяти статическими и динамическими разделами Для организации мультипрограммного и/или мультизадачного режима необходимо обеспечить одновременное расположение в оперативной памяти нескольких задач (целиком или частями). Память задаче может выделяться одним сплошным участком (в этом случае говорят о методах неразрывного распределения памяти) или несколькими порциями, которые могут быть размещены в разных областях памяти (тогда говорят о методах разрывного распределения). Разбиение памяти на несколько непрерывных (неразрывных) разделов может быть фиксированным (статическим) либо динамическим (то есть процесс выделения нового раздела памяти происходит непосредственно при появлении новой задачи). Разделы с фиксированными границами Разделы с подвижными границами

13 Разделы с фиксированными границами Разбиение всего объема оперативной памяти на несколько разделов может осуществляться единовременно (то есть в процессе генерации варианта операционной системы, который потом и эксплуатируется) или по мере необходимости оператором системы. Ядро операционной системы Раздел 0 Транзитная область ОС Задача А Раздел 1 Неиспользуемая область Задача Б Неиспользуемая область Задача В Неиспользуемая область Раздел 2 Раздел 3

14 Разделы с подвижными границами Чтобы избавиться от фрагментации, можно попробовать размещать в оперативной памяти задачи плотно, одну за другой, выделяя ровно столько памяти, сколько задача требует. При освобождении раздела диспетчер памяти пытается объединить освобождающийся раздел с одним из свободных участков, если таковой является смежным. При этом список свободных участков памяти может быть упорядочен либо по адресам, либо по объему. Выделение памяти под новый раздел может осуществляться одним из трех основных способов: первый подходящий участок; самый подходящий участок; самый неподходящий участок. Как ни странно, самым эффективным способом, как правило, является последний, по которому для нового раздела выделяется «самый неподходящий» фрагмент свободной памяти. Для этой дисциплины список свободных областей упорядочивается по убыванию объема свободного фрагмента. Применяется этот способ, например, при разработке операционной системы для современных цифровых АТС, которая использует 16 разрядные микропроцессоры Intel.

15 Сегментная, страничная и сегментно страничная организация памяти Сегментный способ организации виртуальной памяти Методы распределения памяти, при которых задаче уже может не предоставляться сплошная (непрерывная) область памяти, называют разрывными. Первым среди разрывных методов распределения памяти был сегментный. Для этого метода программу необходимо разбивать на части и уже каждой такой части выделять физическую память. Естественным способом разбиения программы на части является разбиение ее на логические элементы так называемые сегменты. Физически имя (или порядковый номер) сегмента будет соответствовать некоторому адресу, с которого этот сегмент начинается при его размещении в памяти, и смещение должно прибавляться к этому базовому адресу. Преобразование имени сегмента в его порядковый номер осуществит система программирования. Для каждого сегмента система программирования указывает его объем. Виртуальный адрес для этого способа будет состоять из двух полей номера сегмента и смещения относительно начала сегмента.

16 Сегментный способ организации виртуальной памяти Регистр таблицы сегментов (таблицы дескрипторов сегментов) Виртуальный адрес

17 Сегментный способ организации виртуальной памяти При поиске свободного места используется одна из вышеперечисленных дисциплин работы диспетчера памяти Если свободного фрагмента памяти достаточного объема нет, но, тем не менее, сумма этих свободных фрагментов превышает требования по памяти для нового сегмента, то в принципе может быть применено «уплотнение памяти» В идеальном случае размер сегмента должен быть достаточно малым, чтобы его можно было разместить в случайно освобождающихся фрагментах оперативной памяти, но достаточно большим, чтобы содержать логически законченную часть программы с тем, чтобы минимизировать межсегментные обращения. Для решения проблемы замещения (определения того сегмента, который должен быть либо перемещен во внешнюю память, либо просто замещен новым) используются следующие дисциплины: правило FIFO (First In First Out первый пришедший первым и выбывает); правило LRU (Least Recently Used дольше других неиспользуемый); правило LFU (Least Frequently Used реже других используемый); случайный (random) выбор сегмента.

18 Страничный способ организации виртуальной памяти

19 Страничный способ организации виртуальной памяти При страничном способе организации виртуальной памяти все фрагменты программы, на которые она разбивается, пользуются одинаковыми. Одинаковыми полагаются и единицы памяти, которые предоставляются для размещения фрагментов программы. Эти одинаковые части называют страницами и говорят, что оперативная память разбивается на физические страницы, а программа на виртуальные страницы. Часть виртуальных страниц задачи размещается в оперативной памяти, а часть во внешней. Обычно место во внешней памяти, в качестве которой в абсолютном большинстве случаев выступают накопители на магнитных дисках называют файлом подкачки или страничным файлом (paging file). Иногда этот файл называют swap файлом, тем самым подчеркивая, что записи этого файла страницы замещают друг друга в оперативной памяти. Разбиение всей оперативной памяти на страницы одинаковой величины, причем кратной степени двойки, приводит к тому, что вместо одномерного адресного пространства памяти можно говорить о двухмерном. Физический адрес определяется парой (Рр, i), а виртуальный адрес парой (Рv, i), где Рv номер виртуальной страницы, Рр номер физической страницы, i индекс ячейки внутри страницы. Отображение, осуществляемое системой во время исполнения, сводится к отображению Рv в Рр и приписыванию к полученному значению битов адреса, задаваемых величиной i.

20 Страничный способ организации виртуальной памяти

Глава 3. Управление памятью в операционных системах Оперативная память это важнейший ресурс любой вычислительной системы, поскольку без нее (как, впрочем, и без центрального процессора) невозможно выполнение

Модуль 4. УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ 1. Функции ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе (несколько ответов) 1) отслеживание свободной и занятой памяти 2) выделение памяти процессам и ее освобождение

1 Тема 2. Лекция 3-4 Время центрального процессора и оперативная память являются основными ресурсами в случае реализации мультипрограммных вычислений. Оперативная память это важнейший ресурс любой вычислительной

Операционные системы Лекция 6 Управление памятью. Страничная организация 6.1 Основные понятия Менеджер памяти - часть операционной системы, отвечающая за управление памятью. Основные методы распределения

Модуль 5. ВВОД-ВЫВОД И ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА 1. Файл это (несколько ответов) 1) множество данных, объединенных некоторой логической связью 2) совокупность информации, записанная под индивидуальным именем на

Р.С. Ниязова, А.К. Сексенбаева Аппаратные средства реализации механизма виртуальной памяти (Евразийский национальный университет им Л.Н.Гумилева, г. Астана) В этой статье дано описание аппаратных средств

Операционные системы Лекция 2 Архитектура ЭВМ, архитектура ОС 1 Основные понятия Системные вызовы (system calls) Прерывание (hardware interrupt) Исключительная ситуация (exception) Файловая система (file

Управление памятью. Занятие 8. План занятия. 1. Функции ОС по управлению памятью. 2. Типы адресов. 3. Алгоритмы распределения реальной памяти. 3.1. Распределение памяти фиксированными разделами 3.2. Распределение

14. Вопросы для самопроверки (Управление памятью) Question 1 Укажите правильные названия указанных на рисунке элементов Б) смещение А) виртуальный адрес В) физический адрес Question 2 Укажите правильные

Модуль 6. АРХИТЕКТУРА ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ 1. Ядро операционной системы это программные модули операционной системы, которые постоянно находятся 1) в оперативной памяти с целью эффективной организации вычислительного

Основы архитектуры ЭВМ: общая шина ЦП ОЗУ ПЗУ Контроллер шины Контроллер видео Контроллер НЖМД Контроллер USB... Шина (Bus) Стандартизованный интерфейс подсоединения устройств Стандартизация по электричеству:

8.1 Основные понятия сегментации памяти Рассмотрим пример, когда программа использует одно адресное пространство. программа использует одно адресное пространство Недостатки такой системы: Один участок

Операционные системы Операционная система это пакет программ, которые обеспечивают управление ресурсами компьютера, загрузку прикладных программ и диалог с пользователем. Программное обеспечение Прикладное

35. Алгоритмы распределения памяти. Свопинг и виртуальная память. Разделяемые сегменты памяти. Кэширование данных. Управление памятью Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления

Казахстанский филиал МГУ им. М.В. Ломоносова Операционные системы лекции 7, 8 - Иерархия памяти в вычислительной системе - Расслоение ОП - Виртуальная память - Способы организации виртуальной памяти 2.11.2010

Лекция 31 Программное обеспечение САПР Программное обеспечение САПР (ПО) представляет собой совокупность программ, необходимых для обработки исходной информации по проектным алгоритмам, управления вычислительным

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДЫ, ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА, ПРОГРАММЫ-ОБОЛОЧКИ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Cреди десятков тысяч системных программ особое место занимают операционные системы, которые обеспечивают управление

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ОБУЧАЮЩИХСЯ ПО ОСВОЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ ДИСКОВАЯ

Операционные системы и оболочки Лекция 6 Память Управление виртуальной памятью Одинцов Игорь Олегович [email protected] весна 2007 1 2 Иерархия классов памяти Для изучения мы в первую очередь выделим

Содержание Предисловие...5 1. Основы микропроцессорной техники... 7 1.1. Персональный компьютер общие сведения... 7 1.2. Цифровая информация... 12 1.3. Основы архитектуры микропроцессорных систем... 13

12.1. Ввод-вывод по опросу готовности устройства Готовность или неготовность внешнего устройства к вводу-выводу проверяется в регистре состояния внешнего устройства Для программно-управляемого ввода/вывода

Модуль 7. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ЭВОЛЮЦИЯ ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 1. Операционная система, которая не допускает одновременного запуска нескольких программ 1) Unix 3) MS DOS 4) Linux

* Вопросы: 1. Память без использования абстракций 2. Абстракция памяти: адресные пространства 3. Абстракция памяти: свопинг 4. Абстракция памяти: управление свободной памятью 5. Виртуальная память 6. Подкачка.

Аннотация программы дисциплины «Операционные системы» 1. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины «Операционные системы» являются: формирование у студентов базовых знаний, умений и навыков по

Примерный вариант экзаменационного билета по информатике Уровень А (за каждый правильный ответ засчитывается 2 балла) Кодирование данных в ЭВМ 1. Десятичному числу 63389 10 соответствует шестнадцатеричное

Лекция 0x17 25 апреля История развития x86 4004 ноябрь 1971. 4-битный микропроцессор. Первый в мире коммерчески доступный однокристальный микропроцессор. 8008 апрель 1972. 8080 апрель 1974. 8-битные процессоры.

Организация компьютера (Hardware) Лекция 3. Часть 2. Информатика Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ 1 Содержание Основы компьютерной архитектуры Компьютер фон Неймана Аппарат прерываний Внешние устройства

Система управления вводом-выводом Виды работ вычислительной системы Обработка информации Операции по осуществлению ввода-вывода информации Общие сведения об архитектуре компьютера. Шины Шины данных Адресные

Практическая работа 8 Управление виртуальной памятью, настройка файла подкачки Цель работы: научиться осуществлять настройку файла подкачки. План выполнения работы. 1. Ознакомьтесь с теоретическим материалом

Состояние процессов Предположим, что программа была заранее собрана в некий единый самодостаточный объект, называемый загрузочным модулем. В ряде ОС программа собирается в момент загрузки из большого числа

Лекция 4 Тема "СOM, EXE-программы" Загрузка и выполнение программ в DOS При загрузке программ в оперативную память DOS (дисковая операционная система) инициализирует как минимум три сегментных регистра:

Управление виртуальной памятью Подкачка по требованию 1 Подкачка по требованию Опр. Подкачка по требованию (demand paging) метод подкачки, при котором страницы по одной загружаются в оперативную память,

Лекция 7 Управление устройствами (часть 2) Структура подсистемы ввода-вывода 2 Общая схема управления устройствами ввода-вывода Системные вызовы ввода-вывода Системные сервисы ввода-вывода Высокоуровневые

40 2430 1005 Утвержден РУСБ.468266.003-УД Инв. подл. Подп. и дата Взам. инв. Инв. дубл. Подп. и дата ИНДИКАТОР ДИАГНОСТИКИ АПМДЗ кодов Листов 10 2011 ВВЕДЕНИЕ Настоящий документ является описанием кодов

Министерство образования Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет ТАБЛИЦА ВЕКТОРОВ ПРЕРЫВАНИЙ Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине

Управление ресурсами: процессор, память, устройства Рассматриваются аппаратные средства, с помощью которых обеспечивается управление ресурсами в операционной системе. Диспетчер памяти в архитектуре PDP

Оперативная память Стратегии управления памятью 1 Иерархическая организация памяти 2 Стратегии управления памятью Стратегии загрузки Стратегии размещения Стратегии замены 3 Стратегия загрузки Опр. Стратегия

СИСТЕМНОЕ И ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Лекция 2: Управление задачами и памятью Управление задачами Управление задачами Основные функции ОС: создание и удаление задач планирование и диспетчеризация

Виртуальная память Управление памятью объединяет три задачи Динамическое распределение памяти. Отображение виртуальных адресов программы на физические адреса. Реализация защиты памяти. Принцип виртуальной

Аппаратная поддержка управлением памятью Страничная память Физическая и логическая память представляются состоящими из блоков одинакового размера, называемых страницы (page) для логической памяти, кадры

Модуль 2. Архитектура компьютера 1. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки информации это: 1) информационная система 2) информационные технологии 3)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 «ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ОС WINDOWS» Управление виртуальной памятью. Настройка файла подкачки ОС Windows использует не только оперативную память для своей работы. Чтобы немного разгрузить

Процессы и потоки Понятия «процесс» и «поток» Процесс (задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения. Потоќ выполне ния (thread нить) наименьшая часть программы, исполнение которой может быть назначено

Операционные системы Лекция 9 Устройства и программное обеспечение ввода-вывода 9.1 Принципы аппаратуры ввода-вывода 9.1.1 Устройства ввода-вывода Устройства делят на две категории (некоторые не попадают

Тема 13. Операционная система. Файловая система. Программы, организующие работу устройств и не связанные со спецификой решаемой задачи, вошли в состав комплекса программ, названного операционной системой.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

1 Организация памяти Windows Используется виртуальная адресация такой способ управления памятью, при котором адресуемая памяти ПК делится между процессами и прозрачно отображается на доступные области

Глава 4 Программно-технические системы реализации информационных процессов Компьютер универсальная 17 техническая система обработки информации Появление компьютеров полностью изменило все существовавшие

Оверлейная модель Swap-файл Образ прикладной программы Организация памяти Диск Оверлей4 Оверлей3 Оверлей2 Оверлей1 Базовый блок Программист разбивает программу на оверлеи (например, вызов процедуры - из

ЛЕКЦИЯ 4-5. Тема: «Структура и функционирование памяти и устройств ввода-вывода вычислительных систем» 3.1 Функции памяти. Память микропроцессорной системы выполняет функцию временного или постоянного

Кэширование данных при трансляции Идентификаторы контекста процесса (PCID) Буфер быстрого преобразования адреса (Translation Lookaside Buffer, TLB) Кэши структур страничной трансляции 28 Process-Context

Организация компьютера (Hardware) Лекция 3 Информатика Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ 1 Содержание Основы компьютерной архитектуры Компьютер фон Неймана Аппарат прерываний Внешние устройства Виртуальная

Оборудование компьютера и прочее «железо» Оборудование компьютера Оборудованием (аппаратным обеспечением) персонального компьютера (ПК) называют внутренние физические компоненты компьютера и периферийные

Программное управление-основа автоматизации вычислительного процесса Москва 2016 2 УЧЕБНЫЙ ВОПРОС 1. Алгоритм и его особенности. УЧЕБНЫЙ ВОПРОС 2. Команда машинной программы и её характеристики. УЧЕБНЫЙ

Вопрос 21 Страничное преобразование адреса Преобразование адреса Преобразование логического адреса в физический осуществляется в два этапа Сегментное преобразование вычисляет линейный адрес на основе логического.

Место дисциплины в структуре образовательной программы Дисциплина Операционные системы является обязательной дисциплиной вариативной части ОПОП по направлению подготовки 09.03.02 Информационные системы

План урока Память и еѐ виды Оперативная память и еѐ виды Характеристика ОП 1. Тип, 2. Частота, 3. Информационная емкость. Память для хранения информации: входных и выходных данных, промежуточных результатов

ПРЕРЫВАНИЯ Операционную систему можно рассматривать как программу, управляемую прерываниями Работа каждого устройства Центральный процессор, память и внешние устройства могут функционировать параллельно.

Операционная система Операционная система это самая главная программа Операционная система комплекс программ, обеспечивающих взаимодействие всех аппаратных и программных частей компьютера между собой и

Модуль 3. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ 1. Распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает

9.1 Принципы аппаратуры ввода-вывода 9.1.1 Устройства ввода-вывода Устройства делят на две категории (некоторые не попадают ни в одну): блочные устройства - информация считывается и записывается по блокам,

Автор: Устинова Лариса Алексеевна, учитель информатики МБОУ «Средняя общеобразовательная школа 26» г. Новокузнецк, Кемеровской области E-mail: [email protected] знакомство с процедурой первоначальной

Оглавление 1. Введение... 3 2. История вопроса и наши подходы... 3 2.1. Первые режимы организации памяти... 3 2.2. Дальнейшее развитие методов организации... 3 2.3. Классификация методов управления памятью...

Теоретические вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Опишите аппаратную архитектуру Фон-Нейманна, ее принципы, сильные и слабые стороны. Опишите аппаратную архитектуру x86, режимы работы процессора в ней,

5. Организация виртуальной памяти Целью организации виртуальной памяти (ВП) является обеспечение процесса оперативной памятью практически неограниченного объёма (на практике очень большого) с добавлением

Под памятью (memory) в данном случае подразумевается оперативная (основная) память компьютера. В однопрограммных операционных системах основная память разделяется на две части. Одна часть для операционной системы (резидентный монитор, ядро), а вторая – для выполняющейся в текущий момент времени программы. В многопрограммных ОС "пользовательская" часть памяти – важнейший ресурс вычислительной системы – должна быть распределена для размещения нескольких процессов, в том числе процессов ОС. Эта задача распределения выполняется операционной системой динамически специальной подсистемой управления памятью (memory management ). Эффективное управление памятью жизненно важно для многозадачных систем. Если в памяти будет находиться небольшое число процессов, то значительную часть времени процессы будут находиться в состоянии ожидания ввода-вывода и загрузка процессора будет низкой.

В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в ОЗУ. При этом память разделялась между программой и ОС. На рис. 6.3 показаны три варианта такой схемы. Первая модель раньше применялась на мэйнфреймах и мини-компьютерах. Вторая схема сейчас используется на некоторых карманных компьютерах и встроенных системах, третья модель была характерна для ранних персональных компьютеров с MS-DOS.

Рис. 6.3. Варианты распределения памяти

С появлением мультипрограммирования задачи ОС, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами, существенно усложнились.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммных системах являются:

отслеживание (учет) свободной и занятой памяти;
первоначальное и динамическое выделение памяти процессам приложений и самой операционной системе и освобождение памяти по завершении процессов;
настройка адресов программы на конкретную область физической памяти;
полное или частичное вытеснение кодов и данных процессов из ОП на диск, когда размеры ОП недостаточны для размещения всех процессов, и возвращение их в ОП;
защита памяти, выделенной процессу, от возможных вмешательств со стороны других процессов;
дефрагментация памяти .

Перечисленные функции особого пояснения не требуют, остановимся только на задаче преобразования адресов программы при ее загрузке в ОП.

Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются символьные имена, виртуальные (математические, условные, логические – все это синонимы) и физические адреса (рис. 6.4 ).

Рис. 6.4. Типы адресов

Символьные имена присваивает пользователь при написании программ на алгоритмическом языке или ассемблере. Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время трансляции неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой адрес.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности будут расположены переменные и команды.

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Диапазон адресов виртуального пространства у всех процессов один и тот же и определяется разрядностью адреса процессора (для Pentium адресное пространство составляет объем, равный 2 32 байт, с диапазоном адресов от 0000.0000 16 до FFFF.FFFF 16).

Существует два принципиально отличающихся подхода к преобразованию виртуальных адресов в физические. В первом случае такое преобразование выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память. Преобразование осуществляет перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, а также информации, предоставляемой транслятором об адресно-зависимых элементах программы.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в виртуальных адресах. Во время выполнения программы при каждом обращении к памяти операционная система преобразует виртуальные адреса в физические.

Распределение памяти

Существует ряд базовых вопросов управления памятью, которые в различных ОС решаются по-разному. Например, следует ли назначать каждому процессу одну непрерывную область физической памяти или можно выделять память участками? Должны ли сегменты программы, загруженные в память, находиться на одном месте в течение всего периода выполнения процесса или их можно время от времени сдвигать? Что делать, если сегменты программы не помещаются в имеющуюся память? Как сократить затраты ресурсов системы на управление памятью? Имеется и ряд других не менее интересных проблем управления памятью [5 , 10 , 13 , 17 ].

Ниже приводится классификация методов распределения памяти, в которой выделено два класса методов – с перемещением сегментов процессов между ОП и ВП (диском) и без перемещения, т.е. без привлечения внешней памяти (рис. 6.5 ). Данная классификация учитывает только основные признаки методов. Для каждого метода может быть использовано несколько различных алгоритмов его реализации.

Рис. 6.5. Классификация методов распределения памяти

На рис. 6.6 показаны два примера фиксированного распределения. Одна возможность состоит в использовании разделов одинакового размера. В этом случае любой процесс, размер которого не превышает размера раздела, может быть загружен в любой доступный раздел. Если все разделы заняты и нет ни одного процесса в состоянии готовности или работы, ОС может выгрузить процесс из любого раздела и загрузить другой процесс, обеспечивая тем самым процессор работой.

Рис. 6.6. Варианты фиксированного распределения памяти

При использовании разделов с одинаковым размером имеются две проблемы.

Программа может быть слишком велика для размещения в разделе. В этом случае программист должен разрабатывать программу, использующую оверлеи, чтобы в любой момент времени требовался только один раздел памяти. Когда требуется модуль, отсутствующий в данный момент в ОП, пользовательская программа должна сама его загрузить в раздел памяти программы. Таким образом, в данном случае управление памятью во многом возлагается на программиста.
Использование ОП крайне неэффективно. Любая программа, независимо от ее размера, занимает раздел целиком. При этом могут оставаться неиспользованные участки памяти большого размера. Этот феномен появления неиспользованной памяти называется внутренней фрагментацией (internal fragmentation).

Бороться с этими трудностями (хотя и не устранить полностью) можно посредством использования разделов разных размеров. В этом случае программа размером до 8 Мбайт может обойтись без оверлеев, а разделы малого размера позволяют уменьшить внутреннюю фрагментацию при загрузке небольших программ.

В том случае, когда разделы имеют одинаковый раздел, размещение процессов тривиально – в любой свободный раздел. Если все разделы заняты процессами, которые не готовы к немедленной работе, любой из них может быть выгружен для освобождения памяти для нового процесса.

Когда разделы имеют разные размеры, есть два возможных подхода к назначению процессов разделам памяти. Простейший путь состоит в том, чтобы каждый процесс размещался в наименьшем разделе, способном вместить данный процесс (в этом случае в задании пользователя указывался размер требуемой памяти). При таком подходе для каждого раздела требуется очередь планировщика, в которой хранятся выгруженные из памяти процессы, предназначенные для данного раздела памяти. Достоинство такого способа в возможности распределения процессов между разделами ОП так, чтобы минимизировать внутреннюю фрагментацию.

Недостаток заключается в том, что отдельные очереди для разделов могут привести к неоптимальному распределению памяти системы в целом. Например, если в некоторый момент времени нет ни одного процесса размером от 7 до 12 Мбайт, то раздел размером 12 Мбайт будет пустовать, в то время как он мог бы использоваться меньшими процессами. Поэтому более предпочтительным является использование одной очереди для всех процессов. В момент, когда требуется загрузить процесс в ОП, выбирается наименьший доступный раздел, способный вместить данный процесс.

В целом можно отметить, что схемы с фиксированными разделами относительно просты, предъявляют минимальные требования к операционной системе; накладные расходы работы процессора на распределение памяти невелики. Однако у этих схем имеются серьезные недостатки.

Количество разделов, определенное в момент генерации системы, ограничивает количество активных процессов (т.е. уровень мультипрограммирования).
Поскольку размеры разделов устанавливаются заранее во время генерации системы, небольшие задания приводят к неэффективному использованию памяти. В средах, где заранее известны потребности в памяти всех задач, применение рассмотренной схемы может быть оправдано, но в большинстве случаев эффективность этой технологии крайне низка.

Для преодоления сложностей, связанных с фиксированным распределением, был разработан альтернативный подход, известный как динамическое распределение. В свое время этот подход был применен фирмой IBM в операционной системе для мэйнфреймов в OS/MVT (мультипрограммирование с переменным числом задач –Multiprogramming With a Variable number of Tasks). Позже этот же подход к распределению памяти использован в ОС ЕС ЭВМ [12 ] .

При динамическом распределении образуется перемененное количество разделов переменной длины. При размещении процесса в основной памяти для него выделяется строго необходимое количество памяти. В качестве примера рассмотрим использование 64 Мбайт (рис. 6.7 ) основной памяти. Изначально вся память пуста, за исключением области, задействованной ОС. Первые три процесса загружаются в память, начиная с адреса, где заканчивается ОС, и используют столько памяти, сколько требуется данному процессу. После этого в конце ОП остается свободный участок памяти, слишком малый для размещения четвертого процесса. В некоторый момент времени все процессы в памяти оказываются неактивными, и операционная система выгружает второй процесс, после чего остается достаточно памяти для загрузки нового, четвертого процесса.

Рис. 6.7. Вариант использования памяти

Поскольку процесс 4 меньше процесса 2, появляется еще свободный участок памяти. После того как в некоторый момент времени все процессы оказались неактивными, но стал готовым к работе процесс 2, свободного места в памяти для него не находится, а ОС вынуждена выгрузить процесс 1, чтобы освободить необходимое место и разместить процесс 2 в ОП. Как показывает данный пример, этот метод хорошо начинает работу, но плохо продолжает. В конечном счете, он приводит к наличию множества мелких свободных участков памяти, в которых нет возможности разместить какой-либо новый процесс. Это явление называется внешней фрагментацией (external fragmentation), что отражает тот факт, что сильно фрагментированной становится память, внешняя по отношению ко всем разделам.

Один из методов преодоления внешней фрагментации – уплотнение (compaction) процессов в ОП. Осуществляется это перемещением всех занятых участков так, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область. В дополнение к функциям, которые ОС выполняет при распределении памяти динамическими разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется уплотнением или сжатием.

Перечислим функции операционной системы по управлению памятью в этом случае.

Перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов при каждом завершении процесса или для вновь создаваемого процесса в случае отсутствия раздела достаточного размера.
Коррекция таблиц свободных и занятых областей.
Изменение адресов команд и данных, к которым обращаются процессы при их перемещении в памяти, за счет использования относительной адресации .
Аппаратная поддержка процесса динамического преобразования относительных адресов в абсолютные адреса основной памяти.
Защита памяти, выделяемой процессу, от взаимного влияния других процессов.

Уплотнение может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором – реже выполняется процедура сжатия.

Так как программа перемещается по оперативной памяти в ходе своего выполнения, в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью перемещающего загрузчика. Здесь более подходящим оказывается динамическое преобразование адресов. Достоинствами распределения памяти перемещаемыми разделами являются эффективное использование оперативной памяти, исключение внутренней и внешней фрагментации, недостатком – дополнительные накладные расходы ОС.

При использовании фиксированной схемы распределения процесс всегда будет назначаться одному и тому же разделу памяти после его выгрузки и последующей загрузке в память. Это позволяет применять простейший загрузчик, который замещает при загрузке процесса все относительные ссылки абсолютными адресами памяти, определенными на основе базового адреса загруженного процесса.

Ситуация усложняется, если размеры разделов равны (или неравны) и существует единая очередь процессов, – процесс по ходу работы может занимать разные разделы. Такая же ситуация возможна и при динамическом распределении. В этих случаях расположение команд и данных, к которым обращается процесс, не является фиксированным и изменяется всякий раз при выгрузке, загрузке или перемещении процесса. Для решения этой проблемы в программах используются относительные адреса. Это означает, что все ссылки на память в загружаемом процессе даются относительно начала этой программы. Таким образом, для корректной работы программы требуется аппаратный механизм, который бы транслировал относительные адреса в физические в процессе выполнения команды, обращающейся к памяти.

Применяемый обычно способ трансляции показан на рис. 6.8 . Когда процесс переходит в состояние выполнения, в специальный регистр процесса, называемый базовым, загружается начальный адрес процесса в основной памяти. Кроме того, используется "граничный" (bounds) регистр, в котором содержится адрес последней ячейки программы. Эти значения заносятся в регистры при загрузке программы в основную память. При выполнении процесса относительные адреса в командах обрабатываются процессором в два этапа. Сначала к относительному адресу прибавляется значение базового регистра для получения абсолютного адреса. Затем полученный абсолютный адрес сравнивается со значением в граничном регистре. Если полученный абсолютный адрес принадлежит данному процессу, команда может быть выполнена. В противном случае генерируется соответствующее данной ошибке прерывание.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск (когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов) и возвращение их в оперативную память (когда в ней освобождается место), а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Для идентификации команд и переменных используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса.

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так как во время трансляции в общем случае неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружен процесс, то транслятор присваивает командам и переменным виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что процесс будет размещен, начиная с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством . Каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре ВМ, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в машине.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены команды и переменные. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами.

В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа – перемещающий загрузчик . Перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать процесс, и предоставленной транслятором информации об адресно-зависимых константах программы, выполняет загрузку процесса, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

Второй способ заключается в том, что процесс загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения процесса при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким, он допускает перемещение процесса во время выполнения, в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает процесс к первоначально выделенному участку памяти. Вместе с тем использование перемещающего загрузчика уменьшает накладные расходы, так как преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а во втором случае – каждый раз при обращении по данному адресу.

В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться процесс, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Все методы управления памятью могут быть разделены на два класса: методы, которые используют перемещение процессов между оперативной памятью и диском, и методы, которые не делают этого. Начнем с последнего, более простого класса методов.

Самым простым способом управления оперативной памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной величины . Это может быть выполнено вручную администратором во время старта системы или во время ее генерации. Очередной процесс, поступивший на выполнение, помещается либо в общую очередь, либо в очередь к некоторому разделу. Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

1) выбирает свободный раздел, размер которого достаточен для размещения поступившего на выполнение процесса;

2) осуществляет загрузку процесса и настройку адресов.

При очевидном преимуществе – простоте реализации – данный метод имеет существенный недостаток, которым является его «жесткость». Так как в каждом разделе может размещаться только один процесс, то степень «многозадачности» заранее ограничена числом разделов не зависимо от того, какой размер требуется процессам. Другим существенным недостатком является то, что в предлагаемой схеме очень часто может наблюдаться так называемая фрагментация памяти , то есть потери части памяти разделов вследствие того, что процессы не полностью занимают выделенные им разделы. Например, если процессу требуется небольшой объем, но ему выделяется целый раздел, то оставшаяся память этого раздела не будет использоваться (то есть в этом разделе останется неиспользуемый фрагмент памяти). Снижение же степени фрагментации памяти за счет уменьшения размеров разделов может на определенном этапе привести к тому, что в малые разделы не смогут быть загружены процессы, для которых требуются более объемные разделы. Кроме того, недостатком рассматриваемого способа управления оперативной памятью является и то, что если даже весь объем оперативной памяти машины позволяет разместить некоторый процесс, требующий большого объема, наличие фиксированного разбиения памяти на разделы не позволит сделать это, так как требуемый объем может превосходить по размеру отдельные (пусть и очень большие), но фиксированные разделы памяти.

В случае распределения памяти разделами переменной величины память ВМ не делится заранее на разделы. Сначала вся оперативная память свободна. Каждому вновь поступившему процессу выделяется необходимая память. Если достаточный объем памяти отсутствует, то процесс не принимается на выполнение и стоит в очереди. После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера.

Задачами операционной системы при реализации данного метода управления памятью являются следующие:

1) ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти;

2) при поступлении нового процесса – анализ запроса, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения поступившего процесса;

4) после завершения процесса – корректировка таблиц свободных и занятых областей.

Выбор раздела для вновь поступившего процесса может осуществляться по разным правилам, таким, например, как «первый попавшийся раздел достаточного размера», или «раздел, имеющий наименьший достаточный размер», или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер». Все эти правила имеют свои преимущества и недостатки.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами метод распределения памяти разделами переменной величины обладает гораздо большей гибкостью, но ему также присуща фрагментация памяти. Это связано с образованием через определенный промежуток времени функционирования системы некоторого числа несмежных участков свободной памяти (фрагментов), образовавшихся в результате выгрузки выполнившихся процессов, и загрузки на их место новых процессов, требующих меньшие объемы памяти. При этом может возникнуть ситуация, при которой ни для одного из вновь поступающих процессов не будет иметься достаточного участка памяти, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый процессу объем памяти.

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область. В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется «сжатием» . Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь поступившего процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором – реже выполняется процедура сжатия. Так как процессы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом. Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто является тем недостатком, который преобладает над преимуществами данного метода.

Развитие методов организации вычислительного процесса привело к появлению метода, использующего так называемую виртуальная память. В общем случае виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим некими свойствами, которыми он в действительности не обладает. Так, например, пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память, размер которой превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программы так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, но в действительности для реализации программы предоставляются несколько разнородных запоминающих устройств, включая дисковые устройства.

Таким образом, виртуальная память – это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, которые для своей реализации требуют такие объемы памяти, которые превосходят реально существующие объемы оперативной памяти ВМ. Для этого виртуальная память решает следующие задачи:

1) размещает процессы в запоминающих устройствах разного типа, например, часть – в оперативной памяти, а часть – на диске;

2) перемещает процессы по мере необходимости между запоминающими устройствами разного типа, например, подгружает процесс или его часть с диска в оперативную память;

3) преобразует виртуальные адреса в физические.

Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.

Наиболее распространенными способами реализации виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг .

При страничном распределении памяти виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера. Эти части называют виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью. Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками). Размер страницы обычно выбирается равным степени числа 2, например: 512, 1024 и т.д. Это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные – на диск. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру – таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск. Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти.

При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса. При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.

В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них – «первая попавшаяся страница» или «страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений».

В некоторых системах используется понятие рабочего множества страниц. Рабочее множество определяется для каждого процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому не подлежат выгрузке.

После того, как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации (по таблице страниц). Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, то есть соответствующая физическая страница объявляется свободной.

При каждом обращении к оперативной памяти с помощью аппаратных средств выполняются следующие действия:

1) на основании начального адреса таблицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса) и длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице;

2) из этой записи извлекается номер физической страницы;

3) к номеру физической страницы присоединяется смещение (младшие разряды виртуального адреса).

Использование в последнем пункте того факта, что размер страницы равен степени числа 2, позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо более длительной операции сложения, что уменьшает время получения физического адреса, а, следовательно, повышает производительность системы.

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют затраты времени, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический. При часто возникающих страничных прерываниях система может тратить большую часть времени впустую. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. Кроме того, увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит, уменьшает затраты памяти. С другой стороны, если страница велика, следовательно, велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждого процесса. В среднем на каждом процессе теряется половина объема страницы, что в сумме при большой странице может составить существенную величину. Время преобразования виртуального адреса в физический в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в «быстрых» запоминающих устройствах. Это может быть, например, набор специальных регистров или память, использующая для уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование данных.

Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте без выгрузки страниц на диск. В этом случае все виртуальные страницы всех процессов постоянно находятся в оперативной памяти. Такой вариант страничной организации хотя и не предоставляет пользователю виртуальной памяти, но почти исключает фрагментацию за счет того, что, во-первых, программа может загружаться в несмежные области, а, во-вторых, при загрузке виртуальных страниц никогда не образуется остатков.

При сегментном распределение памяти виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда сегментация выполняется по умолчанию компилятором. При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одного процесса могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре.

Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.

Недостатком данного метода распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное преобразование адреса по сравнению со страничной организацией памяти.

Странично-сегментное распределение памяти представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памяти и, вследствие этого, сочетает в себе достоинства обоих подходов. Виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется операционной системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть на диске. Для каждого сегмента создается своя таблица страниц, структура которой полностью совпадает со структурой таблицы страниц, используемой при страничном распределении. Для каждого процесса создается таблица сегментов, в которой указываются адреса таблиц страниц для всех сегментов данного процесса. Адрес таблицы сегментов загружается в специальный регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс.

Разновидностью виртуальной памяти является так называемый свопинг (swapping). В соответствии с методом свопинга некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск. Планировщик операционной системы не исключает их из своего рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс перемещается в оперативную память. Если свободного места в оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс.

При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между памятью и диском целиком, то есть в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти. Существуют различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти загружаемому процессу.

Рассмотрим иерархию запоминающих устройств (ЗУ) и принцип кэширования информации .

Память ВМ представляет собой иерархию ЗУ, включающую внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной, оперативной и постоянной памяти, внешнюю память на магнитных дисках и других типах устройств. Разные типы ЗУ отличаются средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит.

Кэширование информации –это способ организации совместного функционирования двух типов ЗУ, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования наиболее часто используемой информации из относительно более «медленного» ЗУ в более «быстрое» ЗУ. Кэш-памятью обычно называют одно из таких взаимодействующих устройств, а именно «быстрое» ЗУ. Оно стоит дороже и, как правило, имеет сравнительно небольшой объем. Таким образом кэширование представляет собой некоторое компромиссное решение проблемы стоимости и быстродействия памяти. Важно, что механизм кэш-памяти является прозрачным для пользователя, то есть пользователь не должен сообщать никаких сведений об интенсивности использования информации и никак не должен участвовать в перемещении информации из ЗУ одного типа в ЗУ другого типа. Все это делается автоматически системными средствами.

Представим частный случай использования кэш-памяти для уменьшения среднего времени доступа к данным, хранящимся в оперативной памяти. Для этого между процессором и оперативной памятью помещается «быстрое» ЗУ – кэш-память. Содержимое кэш-памяти представляет собой совокупность записей обо всех загруженных в нее элементах данных. Каждая запись об элементе данных включает в себя адрес, который этот элемент данных имеет в оперативной памяти, и управляющую информацию: признак модификации и признак обращения к данным за некоторый последний период времени.

В системах, оснащенных кэш-памятью, каждый запрос к оперативной памяти выполняется в соответствии со следующим алгоритмом:

1) просматривается содержимое кэш-памяти с целью определения, не находятся ли нужные данные в кэш-памяти (кэш-память не является адресуемой, поэтому поиск нужных данных осуществляется по содержимому – значению поля «адрес в оперативной памяти», взятому из запроса);

2) если данные обнаруживаются в кэш-памяти, то они считываются из нее, и результат передается в процессор;

3) если нужных данных нет, то они вместе со своим адресом копируются из оперативной памяти в кэш-память, и результат выполнения запроса передается в процессор.

При копировании данных может оказаться, что в кэш-памяти нет свободного места, тогда для вытеснения из кэш-памяти выбираются данные, к которым в последний период было меньше всего обращений. Если вытесняемые данные были модифицированы за время нахождения в кэш-памяти, то они переписываются в оперативную память. Если же эти данные не были модифицированы, то их место в кэш-памяти объявляется свободным.

На практике в кэш-память считывается не один элемент данных, к которому произошло обращение, а целый блок данных. Это увеличивает вероятность так называемого «попадания в кэш», то есть нахождения нужных данных в кэш-памяти. В реальных системах вероятность попадания в кэш составляет примерно 0,9.

Высокое значение вероятности нахождения данных в кэш-памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.

Под пространственной локальностью данных в кэш-памяти понимается такой случай, когда произошло обращение по некоторому адресу и с высокой степенью вероятности в ближайшее время произойдет обращение к соседним адресам.

Под временной локальностью данных в кэш-памяти понимается случай большой вероятности обращения по этому же адресу в ближайшее время.

Все предыдущие рассуждения справедливы и для других пар запоминающих устройств, например, для оперативной памяти и внешней памяти. В этом случае уменьшается среднее время доступа к данным, расположенным, например, на магнитном диске, а роль кэш-памяти выполняет буфер в оперативной памяти.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны операционной системы.

Задачи управления памятью у операционной системы

Распределение ресурса типа «память» между различными, конкурирующими за нее процессами (т.к. памяти всегда не хватает, это ограниченный ресурс по своей сути);
Максимизировать использование памяти
Получить дополнительные «бонусы» в виде изоляции процессов (защита доступа одного процесса от другого);
Абстрагировать доступ к памяти для программистов.

Загрузку ОП в ОС Windowsможно посмотреть в Taskmanager.

Рассмотрим основные инструменты управления памятью.

Инструменты управления памятью

Регистры база-предел
Свoп
Страницы (также таблицы страниц)
Сегменты (таблицы сегментов)
Страничное прерывание (page fauet) и виртуальная память

В данной статье рассматриваются два первых: регистр база0предел и своп.

Современные ОС

Основным механизмом абстракции в современных ОС является виртуальная память(virtual memory) , используется повсеместно, так как:

Позволяет эффективно использовать реальную память
— VM позволяет программам работать без необходимости загружать все их адр.пространство в физическую память (используется свопинг)
— Большинству программ не нужны сразу все их данные и код
Гибкость программ
— Сама программа «не знает» сколько физ.памяти осталось в системе, а сколько – свопа. Объем памяти для любого процесса должен быть организован по принципу: сколько ему нужно, а не сколько есть всего в системе.
Позволяет организовать защиту
— Виртуальная память изолирует адресное пространство процессов друг от друга.

Аппаратная поддержка для VM(virtual memory )

Виртуальная память требует аппаратной поддержки:

MMU (memory management unit ) -Блок управления памятью
TLB (Translation lookaside buffe ) — Буфер ассоциативной трансляции
Таблицы страниц
Обработка страничных прерываний

Обычно есть поддержка свопинга и ограниченной сегментации.

Фрагментация

По сути это неэффективное использование памяти.

Очевидный минус – снижается объем доступной памяти.

Существует 2 типа фрагментации:

Внутренняя : когда выделяется больше памяти, чем запрашивалось, избыток памяти не используется;
Внешняя : свободная память в процессе выделения или освобождения разделяется на мелкие блоки и в результате не обслуживаются некоторые запросы на выделение памяти.

Внутренняя фрагментация

внутренняя фрагментация ОП

Поступает запрос в ОС на выделение блока памяти, длиной N-байт.

Система неким образом(любым алгоритмом) выделяет кусок памяти.

В силу того, что алгоритмы выделения кусков памяти разные, часто реально выделается не N-байт, а N+K байт, где К- значение или 0 или вполне реальное.

Все «выделители» памяти работают таким образом, обычно никогда не выделяется ровно столько памяти, сколько запрашивается процессом, т.е. внутри выделенного блока памяти есть неиспользованное пространство (К) — это есть внутренняя фрагментация – фрагментация внутри блока . Эти К при использовании многих блоков накапливаются, они вроде бы и есть, но использовать их нельзя.

Внешняя фрагментация

Внешняя фрагментация памяти

В ОП выделяется много кусков памяти и какие то из них освободились (процессы закончили работать и освободили ОП). В результате получилось 4 занятых куска и 1 и 2 свободные.

Поступает запрос на выделение большого куска памяти. Если суммировать 1+2 блоки памяти, то вполне хватит, но они разбросаны. Поэтому процессу память не выделится, будет получен отказ.

Возникла внешняя фрагментация – по отношению к блоку выделенной памяти она располагается снаружи.

Эволюция памяти

Данный вопрос рассматривается из-за того, что современные аспекты управления памятью сформировались исторически.

С самого начала программы напрямую пользовались физической памятью . ОС загружала задание, оно выполнялось, затем ОС выгружала его и загружала следующее.

Большинство встраиваемых систем не имело виртуальной памяти. Во встраиваемых системах обычно работает только одна программа.

Свопинг

По сути это сохранение полного состояния программы на диске. При этом он позволяет запустить другую программу, выполнить ее, а предыдущую сохранить, потом загрузить обратно предыдущую и продолжить ее выполнение.

Исторически свопинг – это замена одной программы на другую.

Мультипрограммирование

Затем появляется мультипрограммирование . При мультипрограммировании одновременно выполняется несколько процессов и заданий.

При этом возникают требования к менеджеру памяти:

Защита: ограничить адресное пространство, используемое процессами.
Быстрая трансляция адресов – это защита не должна тормозить процесс трансляции, не должна вносить задержку.
Быстрое переключение контекста .

Вводится понятие виртуальных адресов.

Виртуальный адрес – это независимость от физического расположения данных в памяти, т.е. как данные располагаются в памяти как угодно, мы их можем адресовать, используя некоторый виртуальный адрес.

Виртуальный адрес упрощает управление памятью нескольких процессов. Процессорные инструкции используют виртуальные адреса. ЦП преобразует эти виртуальные адреса в физические, используя некоторую помощь от ОС.

Адресное пространство – это множество виртуальных адресов, которые могут использовать процессы. Это было самое начало того, что сейчас называется «виртуальной памятью». Но в данном случае, это гораздо примитивнее.

Метод фиксированных разделов

Это самый простой метод — метод разбивки физической памяти на разделы фиксированной длины .

Фиксированные – значит заранее определенные, и их размер в процессе работы изменить нельзя.

Аппаратная поддержка в виде регистров база-предел.

Преобразование адресов осуществляется по формуле:

Физический адрес = виртуальный адрес + база

Базовый регистр загружается ОС при переключении процесса.

Простая защита : Если виртуальный адрес больше база+предел, тогда наступает определенное системой событие – отказ в доступе или выводится ошибка. Есть механизм, который позволяет это отследить.

Преимущества:

Простой метод

Недостатки:

внутренняя фрагментация – доступный раздел выделяется, как правило больше, чем требуется.
внешняя фрагментация – когда требуется большой объем памяти, но осталось только 2 маленьких раздела (кусочка)

На рисунке ниже показано как определить физический адрес памяти.

Метод фиксированных разделов

Есть виртуальный адрес, он дает нам смещение.

Есть регистр предела с которым сравнивают. Если виртуальный адрес больше регистра предела, то срабатывает защита доступа. Если меньше, то к нему прибавится регистр базы и получится адрес физической памяти.

Регистр базы на рисунке равен 6Кб. Процесс будет располагаться между 6 и 8Кб.

Данную предложенную схему необходимо улучшить, а именно: разбивать физическую память на разделы динамически (разделы переменной длины).

Аппаратные требования те же: регистр база-предел

Физический адрес = виртуальный адрес + база

Защита – проверять если физический адрес больше, чем виртуальный адрес + предел

Преимущества:

нет внутренней фрагментации – выделяется столько, сколько запрашивается.

Недостатки:

внешняя фрагментация: загрузка/выгрузка задач оставляет необъединяемые «дыры» в памяти.

Все тоже самое, но в памяти появились свободные пространства.

Метод фиксированных разделов

устранение внешней фрагментации

Как бороться с внешней фрагментацией?

На помощь приходит свопинг .

Выгрузить программ;
Загрузить ее по другому адресу;
Исправить регистр базы.

Все поднимается и остается большой кусок памяти для загрузки большой задачи.

На рисунке справа показан большой цельный освободившийся кусок памяти, образованный из маленьких разделов с помощью свопинга.

Современный подход к решению этой проблемы – организация памяти в виде страниц.

Другие основные инструменты управления памятью мы рассмотрим в следующей статье.

Функции ОС по управлению памятью

Под памятью (memory) здесь подразумевается оперативная память компьютера. В отличие от памяти жесткого диска, которую называют внешней памятью (storage), оперативной памяти для сохранения информации требуется постоянное электропитание.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнять инструкции протравы только в том случае, в случае если они находятся в памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в память. С появлением мультипрограммирования перед ОС были поставлены новые задачи, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются:

отслеживание свободной и занятой памяти;
выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;
вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;
настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Помимо первоначального выделения памяти процессам при их создании ОС должна также заниматься динамическим распределением памяти, то есть выполнять запросы приложений на выделение им дополнительной памяти во время выполнения. После того как приложение перестает нуждаться в дополнительной памяти, оно может возвратить ее системе. Выделение памяти случайной длины в случайные моменты времени из общего пула памяти приводит к фрагментации и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация памяти тоже является функцией операционной системы.

Во время работы операционной системы ей часто приходится создавать новые служебные информационные структуры, такие как описатели процессов и потоков, различные таблицы распределения ресурсов, буферы, используемые процессами для обмена данными, синхронизирующие объекты и т. п. Все эти системные объекты требуют памятиʼʼʼʼ В некоторых ОС заранее (во время установки) резервируется некоторый фиксированный объём памяти для системных нужд. В других же ОС используется более гибкий подход, при котором память для системных целей выделяется динамически. В таком случае разные подсистемы ОС при создании своих таблиц, объектов, структур и т. п. обращаются к подсистеме управления памятью с запросами.

Защита памяти - это еще одна важная задача операционной системы, которая состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу. Эта функция, как правило, реализуется программными модулями ОС в тесном взаимодействии с аппаратными средствами.

Функции ОС по управлению памятью - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Функции ОС по управлению памятью" 2017, 2018.