Основная память вычислительных машин

15. Информационный объем ОП в современных ПК составляет 64— 256 Мбайт. ОП имеет линейно-адресную организацию. В процессе работы процессор постоянно взаимодействует с ОП, обмениваясь с ней данными и выбирая команды. Физически ОП реализуется на СБИС динамической памяти (DRAM), быстродействие которых в силу специфики работы ограничено значениями 30 — 60 нс.

16. Для достижения максимальной производительности ВМ и обеспечения нормального функционирования в многозадачном режиме разработчикам ВМ приходится решать ряд проблем, связанных с обеспечением взаимодействия процессора с ОП.

Тема 2.2 Работа с ресурсами

1. Свойства и классификация ресурсов

Среди множества и разнообразия целей, которые должна выполнять любая ОС, есть одна общая - обеспечить эффективный и бесконфликтный способ распределения ресурсов ЭВМ между пользователями.

Границы, определяющие область действия понятия “ресурс”, достаточно условны. Поэтому будем полагать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом.

Ресурсы различаются по запасу выделяемых единиц ресурса и бывают в этом смысле исчерпаемые и неисчерпаемые. Исчерпаемость ресурса, как правило, приводит к жизненным конфликтам в среде потребителей, Для регулирования конфликтов ресурсы должны распределяться между потребителями по каким-то правилам, в наибольшей степени их удовлетворяющим.

Вычислительную систему или ЭВМ можно представить как ограниченную последовательность функциональных элементов. обладающих потенциальными возможностями выполнения с их помощью или над ними действий, связанных с обработкой, хранением или передачей данных. Такие элементы “пользуются спросом”, т.е. потребляются другими элементами, являющимися в общем случае пользователями.

Уровень детализации элементов, выделяемых по запросам для использования в системе, может быть различным. Можно в качестве элемента, выделяемого для использования, рассматривать всю ЭВМ в целом. В равной степени отдельный разряд ячейки памяти можно трактовать как отдельный распределяемый элемент. Степень детализации зависит от того, кто и каким образом требует и использует выделяемые элементы системы. Поэтому для определенности будем считать, что потребителем выделяемых элементов вычислительной системы будут являться процессы, развивающиеся в ней. Все выделяемые по запросам от процессов элементы системы отождествляются с понятием ресурсов. Именно в этом смысле далее и трактуется понятие ресурса. В соответствии с ГОСТ 19781 - 83 ресурсом является средство вычислительной системы, которое может быть выделено процессу на определенный интервал времени.

2. Основные виды ресурсов

Упорядоченность ресурсов по некоторым классификационным признакам нужна в ОС для определения тождественных действий в отношении ресурсов данного класса - действий по учету и распределению ресурсов, устранению конфликтов в их использовании и т.п.

Одним из важнейших свойств ресурса является "реальность существования". В этом смысле ресурсы разделяют на физические и виртуальные (мнимые). Под физическим понимают ресурс, который реально существует и при распределении его между пользователями обладает всеми присущими ему физическими характеристиками. Виртуальный ресурс схож многими своими характеристиками с некоторым физическим, но по многим свойствам и отличен. По сути - это некоторая модель физического ресурса. Виртуальный ресурс не существует в том виде, в котором он проявляет себя пользователю.

Свойство виртуализации ресурсов — одной из важнейших при построении систем управления ресурсами. По значимости — это одна из важнейших концепций при построении современных ОС.

Построение каждого виртуального ресурса проводится на базе некоторого физического. Имея всего один физический ресурс, можно построить на его основе несколько виртуальных. Это дает возможность существенно экономичнее использовать соответствующий физический ресурс, а также увеличивать гибкость политики распределения ресурсов, исключая в большинстве случаев конфликтные ситуации.

В зависимости от того, допускает ли физический ресурс виртуализацию, то есть построение на его основе виртуального ресурса, ресурсы можно разделить на эластичные и жесткие. Жесткий - физический ресурс, который по своим внутренним свойствам не допускает виртуализации.

В соответствии с признаком "степень активности" различают активные и пассивные ресурсы. Активный ресурс способен выполнять действия по отношению к другим ресурсам (или в отношении самого себя). ЦП - пример активного ресурса. Область памяти - пример пассивного. Очевидно, что логика распределения активных ресурсов должна отличаться от логики распределения пассивных.

Динамика ресурсов в отношении процессов позволяет выделить ресурсы постоянные, существующие до порождения процесса и на всем протяжении его существования и ресурсы временные, появляющиеся динамически в течение времени существования рассматриваемого процесса. Создание и уничтожение может производиться как самим процессом, так и другими процессами -системными или пользовательскими.

По "степени важности" можно выделить ресурсы главные и второстепенные. Главные - без которых данный процесс принципиально не может выполняться (ЦП, память). Второстепенные ресурсы допускают некоторое альтернативное развитие процесса при их отсутствии. Например процесс временно может обходиться без записи результатов на диск в случае неисправности последнего.

3. Действия над ресурсами

При централизованном распределении ресурсов соответствующими механизмами ОС в отношении каждого ресурса предполагается, что процесс-пользователь выполняет три типа действий: запрос, использование, освобождение. При выполнении действия запрос в ответ на требование процесса-пользователя система выделяет ресурс, либо отказывает в распределении. Отказ может быть вызван тем, что распределяемый ресурс находится в состоянии "Занят" либо обусловлен какой-то другой причиной. Если ресурс после выполнения действия запрос распределен процессу, то процесс может использовать его. Выполняется действие использование. Действие ОСВосвобождение выполняется по требованию процесса и сводится к переводу ресурса в состояние "Свободен".

Природа ресурса и (или) используемое правило распределения ресурса обусловлены параллельной или последовательной схемой использования распределяемого между несколькими процессами ресурса. Последовательная схема предполагает, что в отношении некоторого ресурса, который называют последовательно используемым, допустимо строго последовательное во времени выполнение цепочек действий "запрос-исполнение-освобождение" каждым процессом-потребителем этого ресурса. Для параллельных процессов такие цепочки действий являются критическими областями и должны выполняться так, чтобы удовлетворять правилу взаимного исключения, определенному ранее. Поэтому последовательно используемый ресурс, разделяемый несколькими параллельными процессами, чаще называют критическим ресурсом. В рассмотренном классе потребляемых ресурсов буфер, хранящий принятые, но еще не востребованные сообщения, является примером критического ресурса для процесса-производителя и процесса-потребителя соответственно.

Параллельная схема предполагает параллельное, т. е. одновременное, использование одного ресурса, который поэтому называют параллельно используемым более чем одним процессом. Такое использование не должно вносить каких-либо ошибок в логику развития каждого из процессов. Аналогично рассмотренному случаю, ресурс может быть параллельно используемым благодаря своей природе либо специальной организации действий при работе с ним. Массив данных, находящийся в некоторой области оперативной памяти и допускающий только чтение данных из него,— пример параллельно используемого ресурса.

1. Обслуживание ввода-вывода.

Главный принцип ввода/вывода - любые операции по управлению вводом/выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только самой ОС. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров вводятся два режима.

Доступ любой задачи к центральному процессу осуществляется через системные программы планировщика, диспетчера. Планирование это организация процессов в некоторую последовательность. Планировщик – программа ответственная за постановку процессов в очередь. Диспетчер – это программа, которая выбирает процесс из очереди, Последовательность обслуживания запросов ввода/вывода

Весьма важным для разработчика драйвера является понимание жизненного цикла IRP запроса. Ниже рассматривается продвижение запроса — от программного кода пользовательского режима, через код Диспетчера ввода/вывода к драйверу устройства. Все запросы на ввод/вывод проходят следующие основные стадии:

Предварительная обработка Диспетчером ввода/вывода.

Предварительная обработка драйвером устройства.

Старт устройства и обслуживание прерывания.

Пост-обработка драйвером.

Пост-обработка Диспетчером ввода/вывода.

Предварительная обработка Диспетчером ввода/вывода

На данном этапе производится не связанная с устройством подготовка запроса и его предварительная верификация.

Подсистема Win32 (ограничимся этой подсистемой) преобразует запрос в системный сервисный вызов (native system service call). Диспетчер системного сервиса переходит в режим ядра и управление передается Диспетчеру ввода/вывода.

Диспетчер ввода/вывода выделяет память под структуру данных, известную под именем I/O RequestPacket (IRP), пакет запроса на ввод/вывод (пакет IRP). В следующей главе эта структура описывается детальнее, но в первом приближении, вполне можно считать пакет IRP рабочим рецептом (предписанием), выдаваемым драйверу и, соответственно, устройству, которое тот обслуживает. Структура данных IRP заполняется необходимой информацией, включая код, которым обозначается тип запроса на ввод/вывод.

Диспетчер ввода/вывода осуществляет некоторую проверку правильности аргументов, переданных из запроса (инициированного из кода пользовательского режима). Проверка включает верификацию дескриптора файла (имеется в виду, что доступ к устройству из программного кода пользовательского режима осуществляется как доступ к файлу — по файловому дескриптору, ассоциированному с нужным устройством, например, посредством вызова ReadFile). Кроме того, выполняется проверка прав доступа к этому файловому объекту, проверка, предоставил ли драйвер процедуру для обслуживания такого типа запроса, и проверка адресов пользовательских буферных областей памяти, необходимых для обслуживания запроса.

В случае, если запрос является операцией буферизованного ввода/вывода (buffered I/O), Диспетчер ввода/вывода получает область памяти в области нестранично организованной памяти (нестраничном пуле) под создание буфера, после чего копирует данные из области пользовательского буфера в этот системный буфер. В случае, если запрос к устройству требует прямого ввода/вывода (direct I/O), производится блокирование пользовательского буфера в физической памяти и создается список дескрипторов страниц (MDL список), через которые драйвер имеет возможность доступа к этому пространству физической памяти.

Диспетчер ввода/вывода производит вызов необходимых рабочих процедур драйвера (dispatch routines).

Предварительная обработка в драйвере

Как было сказано ранее, каждый драйвер в своей процедуре DriverEntry производит заполнение специального массива, указатель на который передается в эту процедуру из Диспетчера ввода/вывода. Таким образом, драйвер выполняет регистрацию своих процедур. После заполнения массива адресами точек входа в процедуры драйвера, в распоряжении Диспетчера ввода/вывода оказывается таблица процедур для обслуживания запросов с поддерживаемыми функциональными кодами (индексом в этой таблице как раз и являются коды обрабатываемых запросов IRP_MJ_Xxx). Используя функциональные коды запросов, Диспетчер ввода/вывода ориентируется в этой таблице и привлекает к работе необходимые процедуры драйвера. Вызванная таким образом процедура решает (должна решать) следующие задачи:

Выполняет дополнительную проверку параметров входящего запроса. Драйвер может устанавливать зависящие от устройства ограничения, которые не могут быть известны Диспетчеру ввода/вывода. Например, пользователь может затребовать передачу большого объема данных, который превышает возможности обслуживаемого устройства (или драйвера).

В случае, если запрос не требует работы с физическим устройством (например, считывание 0 байт данных), то вызываемая драйверная процедура может завершить обработку и "отправить" IRP пакет обратно Диспетчеру ввода/вывода, пометив его как обработанный.

В случае, если запрос требует для завершения обработки реального обращения к обслуживаемому физическому устройству, рабочая процедура может пометить IRP пакет как незавершенный (pending). Таким образом, Диспетчеру ввода/вывода сообщается, что необходимо поместить в очередь запрос на вызов процедуры StartIo как только устройство освободится — возможно, что устройство еще обрабатывает предыдущий запрос. Вообще говоря, этап общения с устройством может быть реализован весьма экзотическими приемами, тут как раз место, где фантазия разработчиков разыгрывается не на шутку.

Старт операции ввода/вывода

В том случае, если рабочая процедура решит задействовать механизм System Queuing и послать Диспетчеру ввода/вывода запрос на вызов процедуры StartIo, то тот выполнит проверку, не занято ли устройство. Диспетчер ввода/вывода может это установить путем проверки, завершены или нет IRP для данного устройства. Если предыдущий запрос еще не завершен, новый запрос на старт операции ввода/вывода помещается в очередь. В противном случае, процедура StartIo вызывается непосредственно.

Ожидается, что процедура старта ввода/вывода, реализация которой возлагается исключительно на разработчика драйвера, выполняет следующие задачи (или часть из них):

Проверяет код IRP функции (чтение, запись и т.п.) и выполняет установочные действия для данного типа операций.

В случае, если устройство (то есть объект устройства, которому адресован IRP пакет) по логике работы олицетворяет только одну из функций сложного реального устройства, запрашивает исключительный доступ к заранее созданному объекту контроллера, планируя при этом вызов соответствующей процедуры ControllerControl.

В случае, если запрос требует DMA операций, выполняет надлежащие операции над объектом адаптера и планирует вызов процедуры AdapterControl (которая будет вызвана, сразу же, как только условия исключительного доступа к соответствующему DMA каналу будут удовлетворены).

Использует процедуру SynchCritSection для выполнения безопасного доступа к тем ресурсам, которые могут потребоваться процедуре обработки прерываний.

Возвращает управление Диспетчеру ввода/вывода в ожидании сигналов прерывания от устройства.

Пример драйвера с использованием механизма System Queuing подробно рассматривается в главе 11.

Процедура обслуживания прерываний ISR

При возникновении прерываний, диспетчер прерываний (из состава кода ядра) производит вызов драйверной ISR процедуры. Процедура ISR обычно выполняет следующие действия:

Проверяет, ожидалось ли прерывание (относится ли поступившее прерывание к обслуживающему устройству).

Освобождает (завершает) прерывание.

В случае, если ранее была начата операция программируемого ввода/вывода (не DMA), но передача данных еще не завершена окончательно, процедура ISR могла бы начать операцию передачи следующей порции данных и завершить свою работу, пока она не будет вызвана по поводу следующего прерывания.

В случае, если ранее была начата операция DMA и остались еще не переданные данные, то ISR могла бы запланировать вызов DPC процедуры для настройки DMA аппаратуры и передачи следующей порции данных.

В случае, если произошла ошибка или передача данных не была завершена, то ISR могла бы запланировать вызов DPC процедуры для того, чтобы выполнить пост-обработку при более низком уровне IRQL.

Пост-обработка, выполняемая драйвером

Диспетчер DPC выполняет вызовы DPC процедур драйвера для того, чтобы решать задачи пост-обработки, а именно:

В случае, если выполнялся набор операции по переносу данных и некоторая часть данных еще не была передана, DPC процедура производит установку аппаратуры, производит "старт" устройства и, в ожидании нового прерывания, возвращает управление Диспетчеру ввода/вывода. При этом IRP пакет остается пока в состоянии 'pending' (о его завершении будет объявлено позже — по окончании переноса).

В случае, если произошла ошибка или превышено время ожидание отклика (таймаут), DPC процедура может записать это событие во внутреннюю очередь, поддерживаемую для данного объекта устройства, и затем либо сделать повторную попытку, либо прервать обработку запроса на ввод/вывод. Очереди IRP пакетов для устройств, Device Queue, могут поддерживаться драйверами как альтернатива системным очередям (System Queuing).

DPC процедура освобождает необходимые для переноса ресурсы, удерживаемые драйвером (среди которых могут быть DMA ресурсы).

DPC процедура помещает размер переданных данных и информацию о финальном состоянии в IRP пакет.

Наконец, если обработка IRP пакета действительно завершена, DPC процедура сообщает Диспетчеру ввода/вывода об окончании обработки текущего IRP запроса тем, что помечает его как завершенный (вместо 'pending' — ожидающий обработки) и делает вызов IoStartNextPacket. Это указывает Диспетчеру ввода/вывода на то, что следует переходить к вызову процедуры StartIo для следующего IRP пакета, если таковой ожидает обработки.

Пост-обработка, выполняемая Диспетчером ввода/вывода

После того как DPC процедура или одна из рабочих процедур помечают IRP пакет как завершенный, Диспетчер ввода/вывода (разумеется, когда получит управление) осуществляет завершающие действия, которые в литературе и документации DDK собирательно называются "очисткой" (cleanup). Это означает:

В том случае, если выполнялась операция записи при буферизованном вводе/выводе (buffered I/O), Диспетчер ввода/вывода освобождает буферную область, использованную во время только что завершенного переноса данных.

В случае, если выполнялась процедура прямого ввода/вывода (direct I/O), Диспетчер ввода/вывода отменяет фиксацию (lock) в оперативной памяти тех страниц, в которых размещался пользовательский буфер.

Диспетчер ввода/вывода помещает в очередь запрос к программному потоку, инициатору первоначального запроса, на выполнение асинхронного процедурного вызова (asynchronous procedure call, APC), работающего в режиме ядра. Этот APC вызов будет выполнять программный код Диспетчера ввода/вывода в контексте потока-инициатора запроса на операцию ввода/вывода.

Выполняющийся в режиме ядра программный АРС-поток производит перенос информации о состоянии и размере переданных данных в пространство пользовательского приложения.

В случае, если выполнялась процедура чтения категории буферизованного ввода/вывода (buffered I/O), процедура APC производит копирование содержимого буферной области, размещенной в нестраничном пуле памяти, в область памяти, предоставленную пользовательским приложением в качестве рабочего буфера. Затем освобождается системный буфер в нестраничном пуле.

В случае, если исходный запрос был сделан для выполнения асинхронного ввода/вывода, процедура APC устанавливает ассоциированное событие (event) и/или файловый объект в состояние, сигнализирующее пользователю об окончании обработки запроса. (Если читатель не знаком с асинхронным вводом/выводом, то может получить доступ к его описанию в документации MSDN по ключевым словам OVERLAPPED, CancelIo, ReadFileEx и т.п.)

В случае, если исходный запрос содержал процедуру завершения (как, например, при использовании функций пользовательского режима ReadFileEx/WriteFileEx в пользовательском приложении), APC процедура производит планирование вызова в дальнейшем APC процедуры пользовательского режима, которая выполнит вызов процедуры завершения, указанных в параметрах вызовов ReadFileEx/WriteFileEx.

2. Буферизация и форматирование данных.

Метод организации обмена, в частности, ввода и вывода данных в компьютерах и других вычислительных устройствах, который подразумевает использование буфера для временного хранения данных. При вводе данных одни устройства или процессы производят запись данных в буфер, а другие — чтение из него, при выводе — наоборот. Процесс, выполнивший запись в буфер, может немедленно продолжать работу, не ожидая, пока данные будут обработаны другим процессом, которому они предназначены. В свою очередь, процесс, обработавший некоторую порцию данных, может немедленно прочитать из буфера следующую порцию. Таким образом, буферизация позволяет процессам, производящим ввод, вывод и обработку данных, выполняться параллельно, не ожидая, пока другой процесс выполнит свою часть работы. Поэтому буферизация данных широко применяется в многозадачных ОС.

Буферизация по принципу своего построения бывает прозрачная (пример — кэширование диска на запись, когда процессы или устройства не подозревают о существовании процедуры буферизации между ними), и непрозрачная, когда сторонам для совершения обмена требуются знания о буфере. Наглядный пример. С бумажными почтовыми отправлениями совершается инкапсуляция в мешки с почтой, далее в вагоны поездов, автомобили и прочие транспортные средства. Отправитель же и получатель обязаны знать только один уровень буферизации — почтовые ящики. Остальные уровни прозрачны для пользователя.

Термины «прозрачная» и «непрозрачная» буферизация не совсем удачны, поскольку могут несколько сбивать с толку. В качестве более удачных можно было бы предложить термины, соответственно, «невидимая» и «видимая буферизация».

Применение буферизации

Различные виды буферизации применяются в компьютерной графике, для обработки и вывода на экран изображений (см. двойная и тройная буферизация), причём они могут быть реализованы как аппаратно, так и программно.

Буферизация в аппаратном обеспечении

Оперативная память модема используется для буферизации принимаемых и передаваемых данных.

Буферизация в программном обеспечении

При выводе на печать в многозадачных ОС происходит буферизация файлов в очереди печати.

3. Организация побайтного ввода-вывода.

Режим обмена с прерываниями является режимом асинхронного управления. Для того чтобы не потерять связь с устройством (после выдачи процессором очередной команды по управлению обменом данными и переключения его па выполнение других программ), может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать-таки сигнал запроса на прерывание.

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей.

Ключевым принципом является независимость от устройств. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.

Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила.

Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Вообще говоря, ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.

Еще один ключевой вопрос - это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно - процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие - после команды READ программа автоматически приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. ОС выполняет операции ввода-вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.

Последняя проблема состоит в том, что одни устройства являются разделяемыми, а другие - выделенными. Диски - это разделяемые устройства, так как одновременный доступ нескольких пользователей к диску не представляет собой проблему. Принтеры - это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями. Наличие выделенных устройств создает для операционной системы некоторые проблемы.

Для решения поставленных проблем целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя

Обработка прерываний,

Драйверы устройств,

Независимый от устройств слой операционной системы,

Пользовательский слой программного обеспечения.

4. Привилегированные и пользовательские режимы ввода/вывода.

режим пользователя, выполнение команд ввода/вывода запрещено;

режим супервизора, выполнение команд ввода/вывода разрешено.

5. Канальная программа

Существует два типа управления периферийными устройствами — прямой и косвенный.

Прямое управление реализует непосредственную связь между процессором и периферийным устройством (с помощью последовательности специальных команд). При этом центральный процессор реализует полный алгоритм: инициализацию, проверку готовности, останов.

При косвенном управлении между процессором и периферийным устройством помещается специальный процессор, который осуществляет управление операциями ввода/вывода. Такой процессор называется каналом. ЦП инициирует ввод/вывод и переход на выполнение других операций, а канал управляет периферийным устройством по специальной программе - канальной. Для синхронной работы ЦП и канала используются флаги занятости или прерывания. Программа управления периферийным устройством — супервизор ввода/вывода — в ответ на прерывание планирует и организует ввод/вывод, при необходимости организует обновление данных. Для сглаживания скоростей в периферийном канале и управляющем устройстве между ними ставится буфер, роль которого выполняет оперативная память.

Управление памятью

1. Типы адресов

Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются разные имена:

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

Виртуальные адреса вырабатываются при переводе программы на машинный язык и получении исполнимого модуля.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где будут расположены переменные и команды. Так как во время трансляции, в общем случае, не известно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса.

Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами.

В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа «перемещающий загрузчик» при загрузке задачи в ОП. Второй способ заключается в том, что программа загружается в ОП неизменном виде в виртуальных адресах. Во время выполнения программы при каждом обращении к ОП выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким, он допускает перемещение программы во время ее выполнения, в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти. Вместе с тем использование перемещающего загрузчика уменьшает накладные расходы, так как преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а во втором случае – каждый раз при обращении по данному адресу.Методы распределения памяти без использования дискового пространства

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

2. Распределение памяти фиксированными разделами

Самым простым способом управления оперативной памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной величины. Это может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее генерации. Очередная задача, поступившая на выполнение, помещается либо в общую очередь (рисунок 3,а), либо в очередь к некоторому разделу

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область (рисунок 5). В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется "сжатием". Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором - реже выполняется процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом.

3. Методы распределения памяти с использованием дискового пространства

Уже достаточно давно пользователи столкнулись с проблемой размещения в памяти программ, размер которых превышал имеющуюся в наличии свободную память. Решением было разбиение программы на части, называемые оверлеями. 0-ой оверлей начинал выполняться первым. Когда он заканчивал свое выполнение, он вызывал другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами операционной системы. Однако разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память должен был осуществлять программист.

4. Понятие виртуальной памяти

Уже достаточно давно пользователи столкнулись с проблемой размещения в памяти программ, размер которых превышал имеющуюся в наличии свободную память. Решением было разбиение программы на части, называемые оверлеями. 0-ой оверлей начинал выполняться первым. Когда он заканчивал свое выполнение, он вызывал другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами операционной системы. Однако разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память должен был осуществлять программист.

5. Свопинг

Из рисунка видно, что для загрузки процессора на 90% достаточно всего трех счетных задач. Однако для того, чтобы обеспечить такую же загрузку интерактивными задачами, выполняющими интенсивный ввод-вывод, потребуются десятки таких задач. Необходимым условием для выполнения задачи является загрузка ее в оперативную память, объем которой ограничен. В этих условиях был предложен метод организации вычислительного процесса, называемый свопингом. В соответствии с этим методом некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск.