Распределение памяти в ос. Принципы управления памятью. § Осуществляет загрузку программы в один из разделов и настройку адресов. Уже на этапе трансляции разработчик программы может задать раздел, в котором ее следует выполнять. Это позволяет сразу, без и

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Управление памятью

1.1 Основные задачи управления памятью

3.1 Распределение памяти фиксированными разделами

3.2 Распределение памяти динамическими разделами

3.3 Перемещаемые разделы

4.1 Страничный способ распределения виртуальной памяти

4.2 Сегментный способ распределения виртуальной памяти

4.3 Сегментно-страничный способ распределения виртуальной памят

Заключение

Список литературы

Введение

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

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

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.

1. Управление памятью

управление память операционный система

1.1 Основные задачи управления памятью

Основная память (она же ОЗУ) является важнейшим ресурсом, эффективное использование которого решающим образом влияет на общую производительность системы.

Для однозадачных ОС управление памятью не является серьезной проблемой, поскольку вся память, не занятая системой под собственные нужды, может быть отдана в распоряжение единственного пользовательского процесса. Процедуры управления памятью решают следующие задачи:

выделение памяти для процесса пользователя при его запуске и освобождение этой памяти при завершении процесса;

обеспечение настройки запускаемой программы на выделенные адреса памяти;

управление выделенными областями памяти по запросам программы пользователя (например, освобождение части памяти перед запуском порожденного процесса).

Совершенно иначе обстоят дела в многозадачных ОС. Суммарные требования к объему памяти всех одновременно работающих в системе программ, как правило, превышают имеющийся в наличии объем основной памяти. В этих условиях ОС не имеет другого выхода, кроме поочередного вытеснения процессов или их частей на диск, чтобы использовать освободившуюся память на нужды других процессов. Неудачная реализация такого вытеснения может почти полностью застопорить работу ОС, которая большую часть времени будет заниматься записью и чтением с диска.

К основным задачам, которые должна решать подсистема управления памятью многозадачной ОС, добавляются следующие:

предоставление процессам возможностей получения и освобождения дополнительных областей памяти в ходе работы;

эффективное использование ограниченного объема основной памяти для удовлетворения нужд всех работающих процессов, в том числе с использованием дисков как расширения памяти;

изоляция памяти процессов, исключающая случайное или намеренное несанкционированное обращение одного процесса к областям памяти, занимаемым другим процессом;

предоставление процессам возможности обмена данными через общие области памяти.

2. Классификация методов распределения памяти

Рис. 1 Классификация методов распределения памяти

3. Управление реальной памятью

3.1 Распределение памяти фиксированными разделами

Простейший способ управления оперативной памятью состоит в том, что память разбивается на несколько областей фиксированной величины, называемых разделами. Такое разбиение может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее установки. После этого границы разделов не изменяются.

Очередной новый процесс, поступивший на выполнение, помещается либо в общую очередь (рис. 1.1, а), либо в очередь к некоторому разделу (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. Распределение памяти фиксированными разделами:

с общей очередью (а), с отдельными очередями (б)

Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

§ Сравнивает объем памяти, требуемый для вновь поступившего процесса, с размерами свободных разделов и выбирает подходящий раздел;

§ Осуществляет загрузку программы в один из разделов и настройку адресов. Уже на этапе трансляции разработчик программы может задать раздел, в котором ее следует выполнять. Это позволяет сразу, без использования перемещающего загрузчика, получить машинный код, настроенный на конкретную область памяти.

При очевидном преимуществе -- простоте реализации, данный метод имеет существенный недостаток -- жесткость. Так как в каждом разделе может выполняться только один процесс, то уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов. Независимо от размера программы она будет занимать весь раздел. Так, например, в системе с тремя разделами невозможно выполнять одновременно более трех процессов, даже если им требуется совсем мало памяти. С другой стороны, разбиение памяти на разделы не позволяет выполнять процессы, программы которых не помещаются ни в один из разделов, но для которых было бы достаточно памяти нескольких разделов.

Такой способ управления памятью применялся в ранних мультипрограммных ОС. Однако и сейчас метод распределения памяти фиксированными разделами находит применение в системах реального времени, в основном благодаря небольшим затратам на реализацию. Детерминированность вычислительного процесса систем реального времени (заранее известен набор выполняемых задач, их требования к памяти, а иногда и моменты запуска) компенсирует недостаточную гибкость данного способа управления памятью.

3.2 Распределение памяти динамическими разделами

В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память, отводимая для приложений, свободна. Каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается). 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. На рис. 2.1 показано состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения. Так, в момент t0 в памяти находится только ОС, а к моменту t1 память разделена между 5 процессами, причем процесс П4, завершаясь, покидает память. На освободившееся от процесса П4 место загружается процесс П6, поступивший в момент t3.

Рис. 2.1. Распределение памяти динамическими разделами

Функции операционной системы, предназначенные для реализации данного метода управления памятью, перечислены ниже.

§ Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.

§ При создании нового процесса -- анализ требований к памяти, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения кодов и данных нового процесса. Выбор раздела может осуществляться по разным правилам, например: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер» или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».

§ Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, а значит, настройка адресов может быть проведена единовременно во время загрузки.

§ После завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток -- фрагментация памяти. Фрагментация -- это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Распределение памяти динамическими разделами лежит в основе подсистем управления памятью многих мультипрограммных операционных системах 60-70-х годов, в частности такой популярной операционной системы, как OS/360.

3.3 Перемещаемые разделы

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область (рис. 3.1). В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти динамическими 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 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.

Рис. 3.1. Распределение памяти перемещаемыми разделами

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью перемещающего загрузчика. Здесь более подходящим оказывается динамическое преобразование адресов.

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.

Концепция сжатия применяется и при использовании других методов распределения памяти, когда отдельному процессу выделяется не одна сплошная область памяти, а несколько несмежных участков памяти произвольного размера (сегментов). Такой подход был использован в ранних версиях OS/2, в которых память распределялась сегментами, а возникавшая при этом фрагментация устранялась путем периодического перемещения сегментов.

4. Управление виртуальной памятью

В многозадачном режиме кроме активного процесса имеются приостановленные, такие процессы могут быть выгружены на диск. В данном случае в распоряжение программ предоставляется виртуальная оперативная память. Использование виртуальной памяти осуществляется за счет модулей ос и аппаратных схем процессора. В настоящее время существует 3 схемы распределения виртуальной памяти.

4.1 Страничный способ распределения виртуальной памяти

При таком способе все фрагменты программы, на которые она разбивается получаются одинаковыми и называются страницами. Оперативная память разбивается на физические страницы, а программа на виртуальные. Часть виртуальных страниц программы размещается в оперативной памяти, а часть на внешней, на диске. При обращении к виртуальной странице, не оказавшейся в данный момент в оперативной памяти, возникает прерывание и управление передается диспетчеру оперативной памяти. Если физической страницы нет (свободной), то диспетчер памяти выбирает для замещения ту страницу на которой не было ссылки на протяжении длительного времени.

Преимущества: устранение фрагментации памяти, т.е. страницы одинакового размера.

Недостатки: программа разбивается на страницы случайно, без учета логической связи, это приводит к потерям времени на межстраничные переходы.

В ОС Windows память может быть увеличена до 4 Гб, а размер страниц до 4 Кб.

4.2 Сегментный способ распределения виртуальной памяти

Виртуально - адресное пространство делится на сегменты с учетом смыслового значения. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных. При загрузке процесса в оперативную память, помещается только часть сегментов, причем подыскивает ос непрерывный участок определенного размера. Если в оперативной памяти недостаточно места для загрузки сегмента, то часть сегмента из оперативной памяти выгружается на диск в файл подкачки. ОС (в частности диспетчер памяти) подбирает для выгрузки сегмент, который не использовался наиболее длительное время. В оперативной памяти для каждого сегмента хранятся информационные структуры, на основе которых ос выбирает сегменты для выгрузки.

- о месте расположения сегмента (в оперативной памяти или на жестком диске);

- права доступа;

- отметка об обращении к сегменту (т.е. давно или недавно использовался сегмент).

Преимуществом является то, что это был первый способ распределения с использованием файла подкачки, так же можно было устанавливать права доступа к сегментам.

Недостатки: потеря процессорного времени на загрузку сегментов и на обработку информационных структур, информационные структуры требовали для себя памяти, дефрагментация памяти.

4.3 Сегментно - страничный способ распределения виртуальной памяти

В данном способе программа разбивается на логически-законченные части, а сегменты на страницы и адрес страницы состоит из номера сегмента, при этом сегмент при загрузке в оперативную память размещается целиком, но страницы одного сегмента могут занимать несмежные страницы.

Преимущества: сокращается время для загрузки страниц, но требуются вычислительные ресурсы для хранения информационных структур - способ используется в дорогих ос.

5. Подсистема управления памятью в ОС MS-DOS

MS-DOS - это ОС, работающая в реальном режиме процессора i86, что предполагает использование адресного пространства размером всего лишь 1 Мб. На самом деле, в компьютерах IBM гарантируется наличие лишь 640 Кб основной памяти, старшие же адреса памяти заняты под BIOS и видеопамять, хотя среди них попадаются разрозненные куски оперативной памяти, называемые UMB (верхний блок памяти).

Адрес в реальном режиме записывается в формате [сегмент: смещение], однако здесь сегмент - это не селектор, адресующий строку таблицы сегментов, а просто номер параграфа памяти (1 параграф = 16 байт). Поэтому можно считать, что в MS-DOS используются только физические адреса.

В принципе, программы, работающие в MS-DOS, могут получить доступ к памяти за пределами 1 Мб, но для этого требуется специальный драйвер расширенной памяти.

Поскольку делить имеющуюся память между несколькими процессами не приходится, распределение получается бесхитростное.

Рис. 4 Основные области памяти ОС MS-DOS

Нижнюю часть памяти занимают модули ОС: обработчики прерываний, резидентная часть интерпретатора команд, драйверы устройств. Некоторые системные программы могут быть ради экономии загружены в верхний блок памяти (выше 640 Кб). Все, что остается в середине, может быть предоставлено процессу пользователя.

Для пущей экономии памяти некоторые нерезидентные модули DOS могут занимать верхнюю часть области пользователя, но только до тех пор, пока не будут затерты пользовательской программой, которой потребуется вся имеющаяся память.

Часть системной памяти и вся область пользователя разбита на прилегающие друг к другу блоки, размер которых кратен параграфу. Перед началом каждого блока памяти размещается блок управления памятью (MCB, Memory Control Block), который занимает один параграф и содержит следующие данные:

· признак, определяющий, последний ли это блок памяти или за ним будут еще блоки (соответственно буква `Z" или `M");

· адрес PSP программы, владеющей этим блоком (0 означает свободный блок);

· размер блока в параграфах;

· имя программы-владельца (до 8 символов); это поле избыточно (зная PSP программы, можно найти имя ее файла), оно было добавлено, вероятно, чтобы хоть как-то занять пустующие байты параграфа MCB.

Когда система должна выделить блок памяти для собственных нужд или по запросу программы пользователя, она просматривает список блоков от начала, перемещаясь от одного MCB к следующему. Найдя свободный блок достаточного размера, система отмечает его как занятый соответствующим владельцем. Если выделяется не весь свободный блок, то после выделенного блока система записывает еще один MCB, описывающий свободный остаток блока.

При освобождении блока система записывает 0 в поле владельца MCB. Если с одной или с двух сторон от освобождаемого блока лежат свободные блоки, то два или три свободных блока сливаются в один.

При запуске программы система выделяет ей два блока памяти: сначала небольшой блок для переменных среды, затем самый большой среди оставшихся свободных блоков для самой программы (блок PSP). Обычно этот блок занимает всю свободную память. Такое решение приемлемо, поскольку других претендентов на память нет.

Почему блок среды выделяется раньше, чем блок PSP?

При завершении программы система просматривает все блоки памяти и освобождает те из них, владельцем которых указана завершаемая программа. Исключением является случай завершения с установкой резидента, при этом блок PSP не освобождается, но уменьшается до указанного размера. В дальнейшем этот блок остается занятым до перезагрузки системы.

MS-DOS предоставляет в распоряжение пользователя функции, позволяющие выполнять основные действия с блоками памяти.

· Выделение блока указанного размера. Если свободного блока достаточной величины не имеется, то система возвращает максимальный размер, который может быть выделен.

· Освобождение ранее выделенного блока.

· Изменение размера блока. Уменьшение блока возможно всегда, увеличение - только в том случае, если после данного блока расположен свободный блок достаточного размера.

Одним из немногих случаев, когда эти функции оказываются полезны, является запуск порожденного процесса. Система должна иметь достаточно свободного места, чтобы разместить блок среды и блок PSP загружаемой программы. Однако, как было сказано выше, вся свободная память обычно отдается под блок PSP текущей программы. Поэтому прежде чем запускать порожденный процесс, программа должна уменьшить свой собственный блок PSP, оставив себе необходимый минимум.

Заключение

Проанализировав общие принципы управления памятью, видно, что в простейших системах нет свопинга или страничной организации памяти. Программа, загруженная в память, остается там до своего завершения. Некоторые ОС не позволяют находиться в памяти более чем одному процессу, в то время как другие поддерживают многозадачность.

Список литературы

1. Олифер В. Г. Сетевые операционные системы: учебник для вузов/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2009. - 539 с.: ил

2. Попов И.И. Операционные системы, среды и оболочки/ И.И. Попов. - М.: Издательство "ФОРУМ: ИНФА-М", 2010. - 400 с. - (Серия "Профессиональное образование")

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Схема распределения памяти, соответствующая пользовательской трактовке распределения памяти. Перемещение с помощью таблицы сегментов. Аппаратная поддержка сегментного распределения памяти. Сегментно-страничная организация памяти с двухуровневой схемой.

лекция , добавлен 24.01.2014

Архитектура компьютеров и возможности операционной системы по управлению памятью. Суть концепции виртуальной памяти. Аппаратно-независимые и аппаратно-зависимые средства управления виртуальной памятью. Сегментно-страничная организации виртуальной памяти.

презентация , добавлен 27.12.2010

Распределение оперативной памяти фиксированными, динамическими и перемещаемыми разделами. Распределение с использованием внешней памяти. Принципы рaботы матричного принтера. Проектирование символов и разработка программы, реализующей их вывод на печать.

курсовая работа , добавлен 01.07.2011

Улучшение параметров модулей памяти. Функционирование и взаимодействие операционной системы с оперативной памятью. Анализ основных типов, параметров оперативной памяти. Программная часть с обработкой выполнения команд и размещением в оперативной памяти.

курсовая работа , добавлен 02.12.2009

Главная задача компьютерной системы. Виртуальные адресные пространства нескольких программ. Классификация методов распределения памяти. Зависимость загрузки процессора от числа задач и интенсивности ввода-вывода. Схема функционирования кэш-памяти.

презентация , добавлен 14.11.2012

Как осуществляется трансляция адресов при страничной организации. Что такое компактировка и как с ее помощью избавиться от внешней фрагментации. Что такое регистр таблицы страниц, сегментация. Методы распределения памяти в виде отдельных сегментов.

контрольная работа , добавлен 23.12.2016

Распределение памяти фиксированными и динамическими, а также перемещаемыми разделами, особенности данного процесса в Windows. Функция VirtualAlloc: переданная и зарезервированная память. Выделение памяти функцией malloc, методика и анализ результатов.

контрольная работа , добавлен 01.12.2013

Сравнительный анализ статической и динамической памяти. Быстродействие и потребление энергии статической памятью. Объем памяти микросхем. Временные диаграммы чтения и записи памяти. Микросхемы синхронной и асинхронной памяти. Режимы модулей памяти.

презентация , добавлен 27.08.2013

Стратегии размещения информации в памяти. Алгоритмы распределения адресного пространства оперативной памяти. Описание характеристик модели и ее поведения, классов и элементов. Выгрузка и загрузка блоков из вторичной памяти. Страничная организация памяти.

курсовая работа , добавлен 31.05.2013

Организация памяти компьютера и простые схемы управления ею. Принципы связывания адресов. Динамическое распределение и свопинг. Сегментная и сегментно-страничная организация памяти. Выталкивание редко используемой страницы. Описание работы с программой.

Память является важнейшем ресурсом, требующим тщательное управление со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память не занятая ядром операционной системы. Обычно ядро операционной системы располагаются либо в самых младших, либо в самых старших адресах. Функциями операционной системы по управлению памятью являются:

1. Отслеживание свободной и занятой памяти

2. Выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов

3. Вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размер основной памяти недостаточный для размещения в ней всех процессов и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место

4. Настройка адресов программ на конкретную область физической памяти

Качество операционной системы, в первую очередь, можно оценить по тому, насколько эффективно она предоставляет процессам требуемую память.

Типы адресов

Для идентификации переменных и команд используются символьные имена, виртуальные адреса и физические адреса. Символьные имена присваивает пользователь при написании программы. Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так во время трансляции в общем случае неизвестно в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает программам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по-умолчанию, что программа будет размещена с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Каждый процесс имеет собственное виртуальное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера и как правило не совпадает с объемом физической памяти имеющийся в компьютере. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами:

1. 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 программу и информации предоставленной транслятором выполняет загрузку программы совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими

2. Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизменном виде – в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким – он допускает перемещение программы во время ее выполнения.

В некоторых случаях в специализированных системах бывает заранее точно известно в какой именно области оперативной памяти будет выполняться программа. Тогда транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Классификация методов распределения памяти

Методы распределения делятся на две группы:

1. Без использования внешней памяти

a. Фиксированными разделами

b. Динамическими разделами

c. Перемещаемыми разделами

2. С использованием внешней памяти

a. Страничное распределение

b. Сегментное распределение

c. Сегментно-страничное распределение

Распределение памяти фиксированными разделами

Самым простым способом управления оперативной памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной величины. Это может быть выполнено вручную оператором при старте системы или во время ее генерации. Очередная задача поступающая на выполнение при этом помещается либо в общую очередь, либо в очередь к некоторому разделу.

Подсистема управления памятью в данном методе выполняет следующие задачи:

1. Сравнивая размер программы поступившей на выполнение и размер свободных разделов выбирает подходящий раздел

2. Осуществляет загрузку программы в этот раздел и настройку адресов

При очевидном преимуществе - простоте реализации метод имеет недостаток – жесткость, так как в каждом разделе может выполняться только одна программа уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов независимо от размера задач, с другой стороне малые разделы не позволят выполнить большие программы.

Распределение памяти разделами переменной величины

В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память свободна, каждой вновь поступающей задаче выделяется необходимая ей память. Если достаточный объем памяти отсутствует, то задача не принимается на выполнение, и стоит в очереди, при освобождении памяти задача поступает на выполнение, после завершения задачи память освобождается и на это место может быть загружена другая задача. 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 являются:

1. Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти

2. При поступлении новой задачи - анализ запроса, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела размер которого достаточен для размещения поступившей задачи.

4. После завершения задачи корректировка таблиц свободных и занятых областей

Таким образом программный код не перемещается во время выполнения то есть может быть проведена единовременная настройка адресов по средствам перемещающего загрузчика. Выбор раздела для вновь поступившей задачи может осуществляться по разным правилам.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему приспущен недостаток – фрагментация памяти.

Фрагментация – наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень малого размера. Настолько малыми что ни одна программа не может в них поместиться, однако суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающий требуемый объем памяти.

Перемещаемые разделы

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых разделов в сторону младших или старших адресов, так что бы вся свободная память образовывала единую свободную область. В дополнение к функциям которые выполняет операционная система при распределении памяти переменными разделами. В данном случае она должна периодически копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называет сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом варианте требуется меньше работы при корректировке таблиц, во втором выполняется сама процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения 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 перевешивает преимущества данного метода.

Методы распределения памяти с использованием дискового пространства.

Понятие виртуальной памяти

Развитие методов организации вычислительного процесса привело к появлению метода известного под названием «виртуальная память». Виртуальным называется ресурс который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами которыми он в действительности не обладает. Так пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память размер которой превосходит имеющуюся в системе реальную память. Таким образом виртуальная память – совокупность программно-аппаратных средств позволяющих пользователям писать программы размер которых превосходит имеющуюся оперативную память. Для этого система виртуальной памяти решает следующие задачи:

1. Размещает данные в запоминающих устройствах разного типа. Например часть программы в оперативной памяти, а часть на диске.

2. Перемещает по мере необходимости данные между устройствами разного типа

3. Преобразует виртуальные адреса в физические

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

Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти являются:

1. Страничная

2. Сегментная

3. Странично-сегментное распределение памяти

Страничное распределение

При страничном распределении виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы разделами, называемыми виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства процесса не является кратным размером страницы, поэтому последняя страница каждого размера дополняется фиктивной областью.

Вся физическая оперативная память машины так же делится на части такого же разделами, называемые физическими страницами или блоками. Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки. Это позволяет упростить механизм преобразования адресов. При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, остальные страницы на диск. При этом смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру – таблицу страниц, в которых устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц, для страниц загруженных в оперативную память или делается отметка о том, что виртуальная страница делается отметка о том, что 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 количества обращений за определенный период времени) и другие данные формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти. При активизации очередного процесса специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса. Далее 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 физически, если же нужная виртуальная страница в данный момент недоступна то происходит так называемая 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, загрузка выполняется немедленно, если свободных страниц нет – принимается решение о том, какую страницу выгрузить из оперативной памяти. Может быть использовано много разных критериев, наиболее популярными являются следующие:

1. Дольше всего не использовавшаяся страница

2. Страница к которой в последнее время было меньше всего обращений

3. Первая попавшая страница.

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. Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, она должна быть переписана на диск, иначе соответствующая физическая страница объявляется свободной. Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары чисел: где первое число – номер виртуальной страницы процесса, а второе число – смещение в пределах виртуальной страницы. Учитывая то, что размер страницы равен два в некоторой степени, смещение внутри страницы может быть получено простым отделением младших разрядов двоичной записи виртуального адреса. Оставшиеся старшие разряды представляют собой двоичную запись номера страницы. При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия:

1. На основании начального адреса торицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц)номер виртуальной страницы(стар) Длины записи в таблицы страниц

2. Определяется адрес нужной записи в таблицы. Из этой записи извлекается номер физической страницы

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

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты связанные с обработкой страничных прерываний и преобразования виртуального адреса в физический

При часто возникающих системных прерываниях система может тратить значительное время на свопинг страниц. Для уменьшения частоты прерываний можно увеличивать размер страниц. Но тогда использование самих страниц будет менее эффективно

Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощённом варианте – без выгрузки страницы на диск. Такой вариант, хотя не предоставляет виртуальной памяти почти исключает фрагментацию, за счет того, что программа может загружаться в несмежные области.

Сегментное распределение

При страничной организации виртуальное адресное пространство делится на равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свойство бывает очень полезным. Например, можно запретить обращаться с операциями записи и чтения в кодовый сегмент программы, а для сегмента данных разрешить только чтение, так же разбиение программы на сегменты делает принципиально возможным разделение одного сегмента несколькими процессами. При сегментном распределении виртуальное адресное пространство делится на сегменты размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и так далее. Иногда сегментация программы 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 на диски. Сегменты одной программы могут занимать несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса аналогичную таблице страниц, в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращению к сегменту за последний интервал времени и другая информация. Если виртуальное адресное пространство нескольких процессов включает 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 системой со страничной организацией: периодически происходят прерывания связанные с отсутствием нужных сегментов 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 является фрагментация на уровне сегментов и более медленная (по сравнению со страничной организацией) преобразование адреса.

Странично-сегментное распределение

Данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памяти. Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент делится на виртуальные страницы, которые номеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется 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.

Иерархия запоминающих устройств. Принцип кеширования данных.

Кеш-память – способ организации совместного функционирования двух типов запоминающих устройств отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в быструю память, наиболее часто используемой информации из медленной памяти. Кеш-памятью часто называют не только способ организации работы двух типов запоминающих устройств, но и одно из устройств – быструю память. Быстрая память стоит дороже и как правило имеет сравнительно небольшой не объем. Важно, что механизм кеш-памяти является прозрачным для других подсистем.

Файловая система

Файловая система – часть операционной системы, назначение которой в том, что бы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными хранящимися на диске и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами. В широком смысле понятие файловая система включает:

1. совокупность всех файлов на диске

2. наборы структур данных используемых для управления файлами такие как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого места на диске

3. Комплекс системных программных средств реализующих управление файлами в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами

Имена файлов

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена. При этом учитываются ограничения Операционной системы как на используемые символы, так и на длину имени. До относительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Обычно разные файлы могут иметь одинаковые символьные имена, в этом случае файл однозначно идентифицируется составным именем представляющим из себя символьным имен каталога.

В некоторых системах одному и тому же файлу может быть дано несколько разных имен. В этом случае Операционная система присваивает файлу уникальное имя, которое как правильно представляет собой числовой идентификатор. Примером такого уникального имени являет номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Виды файлов

Файлы бывают разных видов. Обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги. Обычные файлы в свою очередь разделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов – это могут быть документы или какие-нибудь исходные тексты программ, конфигурационные файлы и так далее. Двоичные файлы часто имеют сложную внутреннюю структуру. Например объектный код программа или архивный файл. Специальные файлы – файлы ассоциированные с устройствами ввода/вывода, которые позволяют выполнять операции ввода-вывода используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команда обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем преобразуются в команды управления соответствующим устройствам.

Каталог – это группа файлов объединенных пользователем, либо системой, с другой стороны это файл содержащий системную информацию о группе файлов его составляющих. В каталоге содержится список файлов входящих в него и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (Атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

1. Информация о разрешенном доступе

3. Владелец файла

4. Создатель файла

5. Признак “только для чтения”

6. Признак “скрытый”

7. Признак “системный файл”

8. Признак “временный файл”

9. Признак блокировки

10. Времена создания, последнего доступа, последнего изменения

11. Текущий размер файла

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов как это сделано в системе FAT или ссылаться на таблицы содержащие эти характеристики, как это сделано в системе UNIX. Каталоги могут организовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня. Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево если файлу разрешено входить только в один каталог или сеть если файл может входить сразу в несколько каталогов. Как и любой другой файл каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем содержащим цепочку символьных имен всех каталогов через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Логическая организация файлов

Программист имеет дело с логической организацией файлов представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись – это наименьшей элемент данных, которым может быть оперировать программист при обмене даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами данных Операционная система обеспечивает доступ к отдельной логической записи. Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины. Записи могут быть расположены в файле последовательно или в более сложном порядке с использованием индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи.

Физическая организация и адрес файлов

Физическая организация описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти (в частности на диске). Файл состоит из физических записей – блоков. Блок – наименьшая единица данных, которыми внешнее устройство обменивается с оперативной памятью. Непрерывное размещение – простейший вариант физической адресации, при которой файлу предоставляется последовательность блоков диска образующих единый сплошной участок дисковой памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока и длину файла. Достоинства метода – простота, но есть два существенных недостатка

1. во время создания файла не известна его длина неизвестно сколько памяти нужно резервировать

2. при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация.

Следующий способ физической организации – размещение в виде связанного диска блоков дисковой памяти. При таком способе в начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла может быть задан одним числом – номером первого блока и каждый блок может быть присоединен в цепочку какого-либо файла, а файл может изменяться во время своего существования наращивая количество блоков. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла. Например, что бы прочитать 10-ый по порядку блок необходимо последовательно просмотреть первые 9 блоков, прослеживая цепочку номеров блоков. Кроме того при этом способе количество данных файла содержащихся в одном блоке не равно степени двойки, а многие программы читают данные блоками, размер которых равен степени двойки. Следующим способом является использование связанного списка индексов. С каждым блоком связывается некоторый элемент – индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска. Если некоторый блок распределен файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла. При такой физической организации сохраняются достоинства предыдущего способа, и снимаются недостатки: для доступа к произвольному месту файлов достаточно прочитать только блок индексов, отсчитать нужное количество файлов по цепочке и определить номер нужного блока. Во-вторых данные файлы занимают блок целиком, а значит имею объем равный степени двойки.

Задание физического расположения файла простым перечислением номеров блоков занимаемым этим файлом. Операционная система UNIX использует вариант данного способа, позволяющий обеспечить фиксированную длину адреса независимо от размера файла. Для хранения адреса файла выделено 13 полей. Если размер файла меньше или равен 10 блокам, то номера этих блоков непосредственно перечислены в первых 10 полях адреса. Если размер файла больше 10 блоков, то следующее 11 поле содержит адрес блока в котором могут быть расположены еще 128 номеров следующих блоков файла. Если файл больше 10 + 128 блоков, то используется 12 поле в котором находится номер блока содержащего 128 номеров блоков которые содержат еще 128 номеров блоков данного файла. Если файл больше даже этого размера, то используется последнее 13 поле для тройной косвенной адресации.

Права доступа к файлу

Определить права доступа к файлу значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцированных операций доступа. Этот список может включать следующие операции:

1. Создание файла

2. Уничтожение файла

3. Открытие файла

4. Закрытие файла

5. Чтение файла

6. Запись в файл

7. Дополнение файла

8. Поиск в файле

9. Получение атрибутов файла

10. Установление новых значений атрибутов

11. Переименование файлов

12. Выполнение файла

13. Чтение каталога

14. И другие операции с файлами и каталогами

В самом общем случае права доступа могут быть получены матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют файлам, строки – пользователям. На пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции. В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например в системе UNIX все пользователи разделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных.

Раздевают два основных подхода к определению прав доступа:

1. Избирательный подход – каждый файл и каждый пользователь сам владелец может определить допустимые операции

2. Мандатный подход – система наделяет пользователями определёнными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу. В данном случае к файлу, в зависимости от того к какой группе пользователь отнесен.

Кеширование диска

В некоторых файловых системах запросы к внешним устройствам, в котором адресация осуществляется блоками перехватывается промежуточным программным слоем подсистемы буферизации. Подсистема буферизации представляет собой буферный пул, располагающийся в оперативной памяти и комплекс программ управляющих этим пулом. Каждый буфер пула имеет размер равный одному блоку. При поступлении запроса на чтение некоторого блока подсистема буферизации просматривает пул и если находит требуемый блок, то копирует его в буфер запрашивающего процесса. Операция ввода/вывода считается выполненной, хотя физического обмена с устройством не происходило. Если же нужный блок отсутствует, он считывается с устройства и одновременно с передачей запрашивающему процессу копируются в один из буферов подсистемы буферизации. При отсутствии свободного буфера на диск вытесняется наименее используемая информация. Таким образом подсистема буферизации работает по принципу кеш-памяти.

Общая модель файловой системы

Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой модеью, в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс или набор функций вышележащему уровню, а сам в свою очередь для выполнения своей работы использует интерфейс нижележащего уровня.

Уровни снизу вверх

1. Физический уровень – обращается только к подсистеме ввода/вывода. Его задача определение номера физического блока содержащего логическую запись

2. Логический уровень – Обращается к физическому, его функция – определение координат логической записи в файле

3. Уровень проверки прав доступа – его задача проверка допустимости заданной операции к заданному файлу

4. Базовый уровень – определение по уникальному имени характеристик файла

5. Символьный уровень – определение по символьному имени файла его уникального имени

Отображаемая в память файлы

По сравнению с доступом к памяти традиционный доступ к файлам выглядит неудобным. По этим причинам некоторые операционные системы обеспечивают отображение файлов в адресное пространство выполняемого процесса. Это выражается в появлении специальных системных вызовов – map (отобразить) и unmap (отменить отображение), в то же время отпадает необходимость многочисленных специальных вызовов подсистемы ввода/вывода.

Современная архитектура файловых систем

Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих в число которых входит и файловая система в традиционном понимании. Новая файловая система имеет многоуровневую структуру, на верхнем уровне которой распологается так называемый переключатель файловых систем. В Windows он называется устанавливаемый диспетчер файловой системы или IFS, он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конретной файловой системой. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат воспринимаемый следующим уровнем – уровнем файловых систем.Каждый компонент уровня файловых систем. Каждый компонет файловых систем выполнен в виде драйвера соответсвующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода/вывода образующей следующий слой файловой системы новой артитектуры. Подсистема ввода/вывода это составная часть файловой системы которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы.

Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает гибкость и независимость уровней между собой. Он реализуется посредствам цепочек системных вызовов, что позволяет скрывать от пользователей и разработчиков сложности организации файловой системы.

Лучше всего потребности пользователя удовлетворяются вычислительной средой, поддерживающей модульное программирование и гибкое использование данных. Нужно обеспечить эффективный и систематичный контроль над размещением данных в запоминающем устройстве со стороны управляющих программ операционной системы. Исходя из сформулированных требований, операционная система должна выполнять такие функции.

Изоляция процессов . Операционная система должна следить за тем, чтобы ни один из независимых процессов не смог изменить содержимое памяти, отведенное другому процессу, и наоборот.

Автоматическое размещение и управление . Программы должны динамически размещаться в памяти в соответствии с определенными требованиями. Распределение памяти должно быть прозрачным для программиста. Таким образом, программист будет избавлен от необходимости следить за ограничениями, связанными с конечностью памяти, а операционная система повышает эффективность работы вычислительной системы, выделяя заданиям только тот объем памяти, который им необходим.

Поддержка модульного программирования. Программист должен иметь возможность определять модули программы, а также динамически их создавать, уничтожать и изменять их размер.

Защита и контроль доступа. При совместном использовании памяти на каждом ее иерархическом уровне есть вероятность, что одна программа обратится к пространству памяти другой программы. Такая возможность может понадобиться, если она заложена в принцип работы данного приложения. С другой стороны, это угроза целостности программ и самой операционной системы. Операционная система должна следить за тем, каким образом различные пользователи могут осуществлять доступ к различным областям памяти.

Долгосрочное хранение. Многим приложениям требуются средства, с помощью которых можно было бы хранить информацию в течение длительного периода времени после выключения компьютера.
Обычно операционные системы выполняют эти требования с помощью средств виртуальной памяти и файловой системы. Файловая система обеспечивает долгосрочное хранение информации, помещаемой в именованные объекты, которые называются файлами. Файл - это удобная для широкого использования структура данных, доступ к которой и ее защита осуществляются операционной системой.

Виртуальная память - это устройство, позволяющее программистам рассматривать память с логической точки зрения, не заботясь о наличии физической памяти достаточного объема. Принципы работы с виртуальной памятью были разработаны, чтобы задания нескольких пользователей, выполняясь параллельно, могли одновременно присутствовать в основной памяти. При такой организации процессов нет задержки между их выполнением: как только один из процессов заносится на вспомогательное запоминающее устройство, считывается следующий процесс. Из-за различий в количестве памяти, требующемся для разных процессов, при переключении процессора с одного процесса на другой трудно компактно разместить их в основной памяти. Поэтому были разработаны системы со страничной организацией памяти, при которой процесс разбивается на блоки фиксированного размера, которые называются страницами. Обращение программы к слову памяти происходит по виртуальному адресу (virtual address), который состоит из номера страницы и смещения относительно ее начала. Страницы одного и того же процесса могут быть разбросаны по всей основной памяти. Система разбивки на страницы обеспечивает динамическое соответствие между виртуальным адресом, использующимся программой, и реальным (real address), или физическим, адресом основной памяти.

Следующим логическим шагом развития в этом направлении (при наличии аппаратного обеспечения, позволяющего выполнять динамическое отображение) было исключение требования, чтобы все страницы процесса одновременно находились в основной памяти; достаточно, чтобы все они хранились на диске. Во время выполнения процесса только некоторые его страницы находятся в основной памяти. Если программа обращается к странице, которая там отсутствует, аппаратное обеспечение, управляющее памятью, обнаружит это и организует загрузку недостающих страниц. Такая схема называется виртуальной памятью; она проиллюстрирована на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Концепция виртуальной памяти

Аппаратное обеспечение процессора вместе с операционной системой предоставляют пользователю "виртуальный процессор", который имеет доступ к виртуальной памяти. Это хранилище может быть организовано в виде линейного адресного пространства или в виде набора сегментов, представляющих собой непрерывные блоки переменной длины. При каждом из этих способов организации с помощью средств языка программирования можно обращаться к ячейкам виртуальной памяти, в которых содержится программа и ее данные. Чтобы изолировать процессы друг от друга, каждому из них можно выделить свою область памяти, не пересекающуюся с областью памяти другого процесса. Общее использование памяти можно организовать, частично перекрывая участки двух областей виртуальной памяти. Файлы создаются на долговременном запоминающем устройстве. Чтобы с ними могли работать программы, файлы или их фрагменты могут копироваться в виртуальную память.
Рис. 2.10 поясняет концепцию адресации в схеме виртуальной памяти. Хранилище состоит из основной памяти, открытой для прямого доступа, осуществляемого с помощью машинных команд, а также более медленной вспомогательной памяти, доступ к которой осуществляется косвенно путем загрузки блоков в основную память. Между процессором и памятью находятся аппаратные средства преобразования адреса. Программы обращаются к ячейкам памяти посредством виртуальных адресов, преобразующихся в ходе обращения в реальные адреса основной памяти. Если происходит обращение к виртуальному адресу, который не загружен в основную память, то один из блоков реальной памяти меняется местами с нужным блоком, который находится во вспомогательной памяти. Во время этого обмена процесс, который обратился к данному адресу, должен быть приостановлен. Задача разработки такого механизма преобразования адресов, который бы не требовал больших дополнительных ресурсов, и такой стратегии размещения данных в хранилище, которая бы сводила к минимуму перемещение данных между различными уровнями памяти, возлагается на разработчика операционной системы.

Главной операцией управления памятью является размещение программы в основной памяти для ее выполнения процессором. Практически во всех современных многозадачных системах эта задача предполагает использование сложной схемы, известной как виртуальная память. Виртуальная память, в свою очередь, основана на использовании одной или обеих базовых технологий - сегментов и страниц. Перед тем как перейти к рассмотрению этих методов организации виртуальной памяти, мы должны сперва познакомиться с более простыми методами (табл. 7.1)- Одна из приведенных в таблице технологий - распределение памяти - использовалась в различных вариациях в некоторых уже подзабытых к настоящему времени операционных системах. Две другие технологии - простая страничная организация и сегментация - сами по себе не используются, однако их рассмотрение в отрыве от виртуальной памяти упростит дальнейшее понимание предлагаемого материала.
Таблица 7.1. Технология управления памятью

Технология	Описание	Сильные стороны	Слабые стороны
Фиксированное распределение	Основная память разделяется на ряд статических разделов во время генерации системы. Процесс может быть загружен в раздел равного или большего размера.	Простота реализации, малые системные накладные расходы.	Неэффективное использование памяти из-за внутренней фрагментации, фиксированное максимальное количество активных процессов
Динамическое распределение	Разделы создаются динамически; каждый процесс загружается в раздел строго необходимого размера	Отсутствует внутренняя фрагментация, более эффективное использование основной памяти	Неэффективное использование процессора из-за необходимости уплотнения для противодействия внешней фрагментации
Простая страничная организация	Основная память распределена на ряд кадров равного размера. Каждый процесс распределен на некоторое количество страниц равного размера и той же длины, что и кадры. Процесс загружается путем загрузки всех его страниц в доступные, но не обязательно последовательные, кадры	Отсутствует внешняя фрагментация	Наличие небольшой внутренней фрагментации
Простая сегментация	Каждый процесс распределен на ряд сегментов. Процесс загружается (путем загрузки всех своих сегментов в динамические (же обязательно смежные) разделы	Отсутствует внутренняя фрагментация	Улучшенное использование памяти и сниженные накладные расходы по сравнению с динамическим распределением
Страничная организация виртуальной памяти	Все, как при простой страничной организации, с тем исключением, что не требуется одновременно загружать все страницы процесса. Необходимые нерезидентные страницы автоматически загружаются в память	Нет внешней фрагментации; более высокая степень многозадачности; большое виртуальное адресное пространство
Сегментация виртуальной памяти	Все, как при простой сегментации, с тем исключением, что не требуется одновременно загружать все сегменты процесса. Необходимые нерезидентные сегменты автоматически загружаются в память	Нет внутренней фрагментации; более высокая степень многозадачности; большое виртуальное адресное пространство; поддержка защиты и совместного использования	Накладные расходы из-за сложности системы управления памятью

Фиксированное распределение

В большинстве схем управления памятью мы будем полагать, что операционная система занимает некоторую фиксированную часть основной памяти и что остальная часть основной памяти доступна для использования многочисленным процессам. Простейшая схема управления этой доступной памятью - ее распределение на области с фиксированными границами.

Размеры разделов

На рис. 7.2 показаны два примера фиксированного распределения. Одна возможность состоит в использовании разделов одинакового размера. В этом случае любой процесс, размер которого не превышает размер раздела, может быть загружен в любой доступный раздел. Если все разделы заняты и нет ни одного процесса в состоянии готовности или работы, операционная система может выгрузить процесс из любого раздела и загрузить другой процесс, обеспечивая тем самым процессор работой.
При использовании разделов с одинаковым размером имеются две трудности.
Программа может быть слишком велика для размещения в разделе. В этом случае программист должен разрабатывать программу, использующую оверлеи, с тем чтобы в любой момент времени ей требовался только один раздел основной памяти. Когда требуется модуль, который в настоящий момент отсутствует в основной памяти, пользовательская программа должна сама загрузить этот модуль в раздел памяти программы (независимо от того, является ли этот модуль кодом или данными).
Использование основной памяти при этом крайне неэффективно. Любая программа, независимо от ее размера, занимает раздел целиком. Так, в нашем примере программа размером менее мегабайта все равно будет занимать целиком раздел в 8 Мбайт; при этом остаются неиспользованными 7 Мбайт блока. Этот феномен появления неиспользованной памяти из-за того, что загружаемый блок по размеру меньше раздела, называется внутренней фрагментацией (internal fragmentation).
Бороться с этими трудностями (хотя и не устранить полностью) можно посредством использования разделов разных размеров (см. рис. 7.2,б). В этом случае программа размером 16 Мбайт может обойтись без оверлеев, а разделы малого размера позволяют уменьшить внутреннюю фрагментацию при загрузке программ малого размера.

Алгоритм размещения

В том случае, когда разделы имеют одинаковый размер, размещениепроцессов в памяти представляет собой тривиальную задачу. Не имеет значения, в каком из свободных разделов будет размещен процесс. Если все разделы заняты процессами, которые не готовы к немедленной работе, любой из них может быть выгружен для освобождения памяти для нового процесса. Принятие решения о том, какой именно процесс следует выгрузить - задача планировщика (об этом мы поговорим в части 4, "Планирование").
Когда разделы имеют разные размеры, есть два возможных подхода к назначению процессоров разделам памяти. Простейший путь состоит в том, чтобы каждый процесс размещался в наименьшем разделе, способном полностью вместить данный процесс.1 В таком случае для каждого раздела требуется очередь планировщика, в которой хранятся выгруженные из памяти процессы, предназначенные для данного раздела памяти (см. рис. 7.3,а). Достоинство такого подхода заключается в том, что процессы могут быть распределены между разделами памяти так, чтобы минимизировать внутреннюю фрагментацию.

Хотя этот метод представляется оптимальным с точки зрения отдельного раздела, он не оптимален с точки зрения системы в целом. Представим, что в системе, изображенной на рис. 7.2,6, в некоторый момент времени нет ни одного процесса размером от 12 до 16 Мбайт. В результате раздел размером 16 Мбайт будет пустовать, в то время как он мог бы с успехом использоваться меньшими процессами. Таким образом, более предпочтительным подходом является использование одной очереди для всех, процессов (см. рис. 7.3,б). В момент, когда требуется загрузить процесс в основную память, для этого выбирается наименьший доступный раздел, способный вместить данный процесс. Если все разделы заняты, следует принять решение об освобождении одного из них. По-видимому, следует отдать предпочтение процессу, занимающему наименьший раздел, способный вместить загружаемый процесс. Можно учесть и другие факторы, такие, как приоритет процесса или его состояние (заблокирован он или активен).
Использование разделов разного размера по сравнению с использованием разделов одинакового размера придает дополнительную гибкость данному методу. Кроме того, схемы с фиксированными разделами относительно просты, предъявляют минимальные требования к операционной системе; накладные расходы работы процессора невелики. Однако у этих схем имеются серьезные недостатки.
Количество разделов, определенное в момент генерации системы, ограничивает количество активных (не приостановленных) процессов.
Поскольку размеры разделов устанавливаются заранее, в момент генерации системы, небольшие процессы приводит к неэффективному использованию памяти. В средах, где заранее известны потребности в памяти всех задач, применение описанной схемы может быть оправдано, но в большинстве случаев эффективность этой технологии крайне низка.
Фиксированное распределение в настоящее время практически не используется. Примером успешной операционной системы с использованием данной технологии может служить ранняя операционная система IBM для мейнфреймов OS/MFT (многозадачная с фиксированным количеством задач- Multiprogramming with a Fixed number of Tasks).

Динамическое распределение

Для преодоления сложностей, связанных с фиксированным распределением, был разработан альтернативный подход, известный как динамическое распределение. Этот подход в настоящее время также вытеснен более сложными и эффективными технологиями управления памятью. В свое время динамическое распределение использовала операционная система IBM для мейнфреймов OS/MVT (многозадачная с переменным количеством задач - Multiprogramming with a Variable number of Tasks).
При динамическом распределении образуется переменное количество разделов переменной длины. При размещении процесса в основной памяти для него выделяется строго необходимое количество памяти, и не более. В качестве примера рассмотрим использование 6.4 Мбайт основной памяти (рис. 7.4). Изначально вся память пуста, за исключением области, используемой операционной системой (рис. 7.4,а). Первые три процесса загружаются в память, начиная с адреса, которым заканчивается операционная система, и используя ровно столько памяти, сколько требуется данному процессу (рис. 7.4,б-г). После этого в конце основной памяти остается "дыра", слишком малая для размещения четвертого процесса. В некоторый момент все процессы в памяти оказываются неактивными, и операционная система выгружает второй процесс (рис. 7.4,д), после которого остается достаточно памяти для загрузки нового, четвертого процесса (рис. 7.4,е). Поскольку процесс 4 меньше процесса 2, создается еще одна небольшая "дыра" в памяти. После того как в некоторый момент времени все процессы в памяти оказываются неактивными, но зато готов к работе процесс 2, свободного места в памяти для него не находится, и операционная система вынуждена выгрузить процесс 1, чтобы освободить необходимое место (рис. 7.4,ж) и разместить процесс 2 в основной памяти (рис. 7.4,з).

Как показывает данный пример, этот метод хорошо начинает работу, но плохо продолжает - в конечном счете он приводит к наличию множества мелких дыр в памяти. Со временем память становится все более и более фрагментированной, и снижается эффективность ее использования. Это явление называется внешней фрагментацией (external fragmentation), что отражает тот факт, что сильно фрагментированной становится память, внешняя по отношению ко всем разделам (в отличие от рассмотренной ранее внутренней фрагментации).
Один из методов преодоления этого явления сострит в уплотнении (compaction): время от времени операционная система перемещает процессы в памяти так, чтобы они занимали смежные области памяти; свободная память при этом собирается в один блок. Например, на рис. 7.4,з после уплотнения памяти мы получим блок свободной памяти размером 16 Мбайт, чего может оказаться вполне достаточно для загрузки нового процесса. Сложность применения уплотнения состоит в том, что при этом расходуется дополнительное время; кроме того, уплотнение требует динамического перемещения процессов в памяти, т.е. должна быть обеспечена возможность перемещения программы из одной области основной памяти в другую без потери корректности ее обращений к памяти (см. приложение к данной главе).

Алгоритм размещения

Поскольку уплотнение памяти вызывает дополнительные расходы времени процессора, разработчик операционной системы должен принять разумное решение о том, каким образом размещать процессы в памяти (образно говоря, каким образом затыкать дыры). Когда наступает момент загрузки процесса восновную память и имеется несколько блоков свободной памяти достаточного размера, операционная система должна принять решение о том, какой именно свободный блок использовать.
Можно рассматривать три основных алгоритма - наилучший подходящий, первый подходящий, следующий подходящий. Все они, само собой разумеется, ограничены выбором среди свободных блоков размера, достаточно большого для размещения процесса. Метод наилучшего подходящего выбирает блок, размер которого наиболее близок к требуемому; метод первого подходящего проверяет все свободные блоки с начала памяти и выбирает первый достаточный по размеру для размещения процесса. Метод следующего подходящего работает так же, как и метод первого подходящего, однако начинает проверку с того места, где был выделен блок в последний раз (по достижении конца памяти он продолжает работу с ее начала).
На рис. 7.5,а показан пример конфигурации памяти после ряда размещений и выгрузки процессов из памяти. Последним использованным блоком был Мок размером 22 Мбайт, в котором был создан раздел в 14 Мбайт. На рис. 7,5,6 показано различие в технологии наилучшего, первого и следующего подходящего при выполнении запроса на выделение блока размером 16 Мбайт. Метод наилучшего подходящего просматривает все свободные блоки и выбирает наиболее близкий по размеру блок в 18 Мбайт, оставляя фрагмент размером 2 Мбайт. Метод первого подходящего в данной ситуации оставляет фрагмент свободной памяти размером б Мбайт, а метод следующего подходящего - 20 Мбайт.

Какой из этих методов окажется наилучшим, будет зависеть от точной последовательности загрузки и выгрузки процессов и их размеров. Однако можно говорить о некоторых обобщенных выводах (см. , , ). Обычно алгоритм первого подходящего не только проще, но и быстрее и дает лучшие результаты. Алгоритм следующего подходящего, как правило, дает немного худшее результаты. Это связано с тем, что алгоритм следующего подходящего проявляет склонность к более частому выделению памяти из свободных блоков в конце памяти. В результате самые большие блоки свободной памяти (которые обычно располагаются в конце памяти) быстро разбиваются на меньшие фрагменты и, следовательно, при использовании метода следующего подходящего уплотнение должно выполняться чаще. С другой стороны, алгоритм первого подходящего обычно засоряет начало памяти небольшими свободными блоками, что приводит к увеличению времени поиска подходящего блока в последующем. Метод наилучшего подходящего, вопреки своему названию, оказывается, как правило, наихудшим. Так как он ищет блоки, наиболее близкие по размеру к требуемому, он оставляет после себя множество очень маленьких блоков. В результате, хотя при каждом выделении впустую тратится наименьшее возможное количество памяти, основная память очень быстро засоряется множеством мелких блоков, неспособных удовлетворить ни один запрос (так что при этом алгоритме уплотнение памяти должно выполняться значительно чаще).

Алгоритм замещения

В многозадачной системе с использованием динамического распределения наступает момент, когда все процессы в основной памяти находятся в заблокированном состоянии, а памяти для дополнительного процесса недостаточно даже после уплотнения. Чтобы избежать потерь процессорного времени на ожидание деблокирования активного процесса, операционная система может выгрузить один из процессов из основной памяти, и, таким образом, освободить место для нового процесса, или процесса в состоянии готовности. Задача операционной системы - определить, какой именно процесс должен быть выгружен из памяти. Поскольку тема алгоритма замещения будет детально рассматриваться в связи с различными схемами виртуальной памяти, пока что мы отложим обсуждение этого вопроса.

Система двойников

Как фиксированное, так и динамическое распределение памяти имеют свои недостатки. Фиксированное распределение ограничивает количество активных процессов и неэффективно использует память при несоответствии между размерами разделов и процессов. Динамическое распределение реализуется более сложно и включает накладные расходы по уплотнению памяти. Интересным компромиссом в этом плане является система двойников (, [РБТЕ77]).
В системе двойников память распределяется блоками размером 2,к < К < U ,
где
21 - минимальный размер выделяемого блока памяти;
2и - наибольший распределяемый блок; вообще говоря, 2и представляет собой размер всей доступной для распределения памяти.
Вначале все доступное для распределения пространство рассматривается как единый блок размера 2u. При запросе размером s, таким, что 2 u- l< s <2и, выделяется весь блок. В противном случае блок разделяется на два эквивалентных двойника с размерами 2u-1. Если 2 U-2 < s<2 u- l, то по запросу выделяется один из двух двойников; в противном случае один из двойников вновь делится пополам. Этот процесс продолжается до тех пору пока не будет сгенерирован наименьший блок, размер которого не меньше 8. Система двойников постоянно ведет список "дыр" (доступных блоков) для каждого размера 2l. Дыра может быть удалена из списка (i+1) разделением ее пополам и внесением двух новых дыр размера 2l в список i. Когда пара двойников в списке i оказывается освобожденной, они удаляются из списка и объединяются в единый блок в списке (i+1). Ниже приведен рекурсивный алгоритм () для удовлетворения запроса размера 2i-l void get_hole(int i)
{
if (i = = (U+1))
< Ошибка >;
if (< Список 1 пуст >)
{
get_hоle(i+l);
< Разделить дыру на двойники >;
< Поместить двойники в список i >;
}
< Взять первую дыру из списка i >;
}
На рис. 7.6 приведен пример использования блока с начальным размером 1 Мбайт. Первый запрос А - на 100 Кбайт (для него требуется блок размером 128 Кбайт); Для этого начальный блок делится на два двойника по 512 Кбайт. Первый из них делится на двойники размером 256 Кбайт, и, в свою очередь, первый из получившихся при этом разделении двойников также делится пополам. Один из получившихся двойников размером 128 Кбайт выделяется запросу А. Следующий запрос В требует 256 Кбайт. Такой блок имеется в наличии и выделяется. Процесс продолжается с разделением и слиянием двойников при необходимости. Обратите внимание, что после освобождения блока Е происходит слияние двойников по 128 Кбайт в один блок размером 256 Кбайт, который, в свою очередь, тут же сливается со своим двойником.

На рис. 7.7 показано представление системы двойников в виде бинарного дерева, непосредственно после освобождения блока В. Листья представляют текущее распределение памяти. Если два двойника являются листьями, то по крайней мере один из них занят; в противном случае они должны слиться в блок большего размера.

Система двойников представляет собой разумный компромисс для преодоления недостатков схем фиксированного и динамического распределения, но в современных операционных системах ее превосходит виртуальная память, основанная на страничной организации и сегментации. Однако система двойников нашла применение в параллельных системах как эффективное средство распределения и освобождения параллельных программ (см., например, ). Модифицированная версия системы двойников используется для распределения памяти ядром UNIX (подробнее об этом вы узнаёте в главе 8, "Виртуальная память").

Перемещение

Перед тем как мы рассмотрим способы, с помощью которых можно избежать недостатков распределения, следует до конца разобраться в вопросах, связанных с размещением процессов в памяти. При использовании фиксированной схемы распределения, показанной на рис. 7.3,а, можно ожидать, что процесс всегда будет назначаться одному и тому же разделу памяти. Это означает, что какой бы раздел ни был выбран для нового процесса, для размещения этого процесса после выгрузки и последующей загрузки в память всегда будет использоваться именно этот раздел. В данном случае можно использовать простейший загрузчик, описанный в приложении к данной главе: при загрузке процесса все относительные ссылки в коде замещаются абсолютными адресами памяти, определенными на основе базового адреса загруженного процесса.
Если размеры разделов равны (рис. 7.2) и существует единая очередь процессов для разделов разного размера (рис. 7.3,б), процесс по ходу работы может занимать разные разделы. При первом создании образа процесса он загружается в некоторый раздел памяти; позже, после того как он был выгружен из памяти и вновь загружен, процесс может оказаться в другом разделе (не в том, в котором он размещался в последний раз). Та же ситуация возможна и при динамическом распределении. Так, на рис. 7.4,в и 3процесс 2 занимает при размещении в памяти различные места. Кроме того, при выполнении уплотнения процессы также перемещаются в основной памяти. Таким образом, расположение команд и данных, к которым обращается процесс, не является фиксированным и изменяется всякий раз при выгрузке и загрузке (или перемещении) процесса. Для решения этой проблемы следует различать типы адресов. Логический адрес представляет собой ссылку на ячейку памяти, не зависящую от текущего расположения данных в памяти; перед тем как получить доступ к этой ячейке памяти, необходимо транслировать логический адрес в физический. Относительный адрес представляет собой частный случай логического адреса, когда адрес определяется положением относительно некоторой известной точки (обычно - начала программы). Физический адрес (известный также как абсолютный) представляет собой действительное расположение интересующей нас ячейки основной памяти.
Если программа использует относительные адреса, это означает, что все ссылки на память в загружаемом процессе даны относительно начала этой программы. Таким образом, для корректной работы программы требуется аппаратный механизм, который бы транслировал относительные адреса в физические в процессе выполнения команды, которая обращается к памяти.
На рис. 7.8 показан обычно используемый способ трансляции адреса. Когда процесс переходит в состояние выполнения, в специальный регистр процессора, иногда называемый базовым, загружается начальный адрес процесса в основной памяти. Кроме того, используется "граничный" (bounds) регистр, в котором содержится адрес последней ячейки памяти программы. Эти значения заносятся в регистры при загрузке программы в основную память. При выполнении процесса встречающиеся в командах относительные адреса 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 операционной системы.
Схема, представленная на рис. 7.8, обеспечивает возможность выгрузки и загрузки программ в основную память в процессе их выполнения; кроме того, образ каждого процесса ограничен адресами, содержащимися в базовом и граничном регистрах, и защищен от нежелательного доступа со стороны других процессов.

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