Какая часть программного обеспечения всегда располагается в оперативной памяти

Обновлено: 25.06.2024

Система управления памятью должна обеспечить многопрограммный режим работы, используя аппаратные средства распределения оперативной памяти.

Существует два способа распределения памяти : статический и динамический.

При работе в многопрограммном режиме и статическом распределении оперативной памяти выделяется определенная область фиксированной памяти независимо от требований задачи.

При статическом распределении памяти используется статическая адресация, т.е. используется базовый адрес и смещение. При каждой загрузке программы ей назначается базовый адрес в области оперативной памяти.

При динамическом распределении оперативной памяти - выделяется необходимый объем памяти по запросу с учетом потребности задачи. Параллельность процессов обмена и обработки данных приводит к тому, что к оперативной памяти может обращаться несколько устройств (или программ) одновременно, потому требуется организовать очередь обслуживания и использовать концепцию виртуальной памяти. Один из компонентов ядра операционной системы - диспетчер памяти - организует трансляцию виртуальных адресов, используемых программами и другими компонентами ядра, в реальные адреса физической памяти.

Организация виртуальной памяти

Виртуальная память (Virtual Memory) представляет собой программно-аппаратное средство расширения пространства памяти, предоставляемой программе в качестве оперативной. Эта память физически реализуется в оперативной и дисковой памяти под управлением соответствующей операционной системы. Требуется так организовать работу процессора с дисковой памяти, чтобы возникала иллюзия работы только с оперативной памятью.

Виртуальное пространство памяти разбито на страницы фиксированного размера, а в физической оперативной памяти в каждый момент времени присутствует только часть из них. Остальные страницы хранятся на диске, откуда операционная система может "подкачать" их в физическую память, предварительно выгрузив на диск часть неиспользуемых в данный момент модифицированных страниц. Обращение процессора к ячейке виртуальной памяти, присутствующей в физической памяти, происходит обычным способом. Если же затребованная область в данный момент не отображена в физической памяти, процессор вырабатывает исключение (внутреннее прерывание), по которому операционная система программно организует замещение страниц, называемое свопингом (Swapping). Виртуальную память поддерживают процессоры, работающие в защищенном режиме, начиная с 80286, но реально ее широко стали использовать только в операционных системах и оболочках для 32-разрядных процессоров (80386 и далее). Максимальный объем виртуальной памяти определяется размером файла подкачки (Swap File), выделяемом на жестком диске для нужд виртуальной памяти.

Общепринятая в настоящее время концепция виртуальной памяти появилась в те далекие времена, когда вычислительные системы, научившись выполнять одну программу стали переходить на новый режим работы - работу в многозадачном (мультипрограммном) режиме. Концепция виртуальной памяти позволила решить целый ряд актуальных вопросов организации вычислений.
Встал вопрос о том, как разделить между разными задачами небольшой объем оперативной памяти, чтобы каждая задача выполнялась также, как она выполнялась бы в однопрограммном режиме и как управлять при этом распределением памяти.
К этому времени у программистов уже накопился опыт выполнения задач, программный код которых не помещался в слишком маленькую оперативную память.
Программистам пришлось делить такие программы на части и затем выполнять части программы независимо, организуя оверлейные структуры, которые загружались в основную память и выгружались из нее под управлением программы пользователя.
Система организации виртуальной памяти освободила программистов от этой работы. Она автоматически управляет обменом между двумя уровнями иерархии памяти: основной памятью и внешней (дисковой) памятью.
В многопрограммном режиме работы компьютер выполняет множество задач, каждой из которых отводится свое адресное пространство в оперативной памяти. Поэтому необходим механизм разделения небольшой физической памяти между различными задачами. Виртуальная память делит физическую память на блоки и распределяет их между различными задачами. При этом обеспечивается иллюзия того, что каждая задача и в самом деле исполняется на машине с огромным количеством реальной оперативной памяти.
Системы виртуальной памяти можно разделить на два класса: системы с фиксированным размером блоков, называемых страницами, и системы с переменным размером блоков, называемых сегментами.
Очевидно, что для реализации возможности автоматического выделения памяти каждой задаче в процессе ее выполнения (динамически), необходимо обеспечить эту возможность аппаратно. Для того, чтобы программа могла действительно воспользоваться виртуальной памятью (иллюзией очень большого количества реальной оперативной памяти) требуется еще и поддержка программного обеспечения. Задача управления виртуальной памятью возлагается на операционную систему. Различные операционные системы по разному решают вопросы управления памятью. Попробуем получить общее представление о работе виртуальной памяти.
Механизмы управления памятью решают две главные задачи:

Трансляцию виртуального адресного пространства процесса на физическую память. Это позволяет ссылаться на конкретные адреса физической памяти потокам процесса, работающим в виртуальном адресном пространстве.
Подкачку части содержимого памяти с диска, когда потоки пытаются задействовать больший объем физической памяти, чем тот, который имеется в наличии, и выгрузку страниц обратно по мере необходимости.

Страничный механизм является составной частью системы виртуальной памяти.
Страничное преобразование позволяет сохранить линейность адресов для прикладных программ, несмотря на то, что их работающие страницы располагаются в оперативной памяти в произвольном порядке. Программы работают со своим адресным пространством, так словно у каждой из них есть своя собственная линейно адресуемая оперативная память.
Применительно к виртуальной памяти различают три адресных пространства: логическое, линейное и физическое.

Рис.1. Отражение страниц дискового пространства
на пространство оперативной памяти.

В случае динамического распределения памяти (по запросу программы), адрес содержит номер виртуальной страницы и номер слова в странице. Для защиты памяти от записи и чтения другими процессами необходима соответствующая схема трансляции адреса, которая разрешает доступ к данной области памяти только определенной задаче.
Соответствие между физическим положением данных в памяти и адресом существует только для основной (оперативной) памяти, виртуальная память использует всю иерархическую структуру памяти как непрерывно адресуемую.

Для переадресации используется глобальная ( GDT) и локальная (LDТ) таблицы переадресации.

Читайте также: