Память и отображения, виртуальное адресное пространство

Если не принимать во внимание программирование на машинном языке (эта технология практически не используется уже очень давно), то можно сказать, что программист обращается к памяти с помощью некоторого набора логических имен, которые чаще всего являются символьными, а не числовыми, и для которого отсутствует отношение порядка. Другими словами, в общем случае множество переменных в программе не упорядочено, хотя отдельные переменные могут иметь частичную упорядоченность (например, элементы массива). Имена переменных и входных точек программных модулей составляют про­странство символьных имен. Иногда это адресное пространство называют логическим.

С другой стороны, при выполнении программы мы имеем дело с физической оперативной памятью, собственно с которой и работает процессор, извлекая из нее команды и данные и помещая в нее результаты вычислений. Физическая память представляет собой упорядоченное множество ячеек реально существующей опе­ративной памяти, и все они пронумерованы, то есть к каждой из них можно обра­титься, указав ее порядковый номер (адрес). Количество ячеек физической памяти ограниченно и фиксировано.

Системное программное обеспечение должно связать каждое указанное пользователем символьное имя с физической ячейкой памяти, то есть осуществить отображение пространства имен на физическую память компьютера. В общем случае это отображение осуществляется в два этапа (рис. 3.1): сначала системой программирования, а затем операционной системой. Это второе отображение осуществляется с помощью соответствующих аппаратных средств процессора — подсистемы управления памятью, которая использует дополнительную информацию, подготавливаемую и обрабатываемую операционной системой. Между этими этапами обращения к памяти имеют форму виртуального адреса. При этом можно сказать, что множество всех допустимых значений виртуального адреса для некоторой программы определяет ее виртуальное адресное пространство, или виртуальную память.

Виртуальное адресное пространство программы зависит, прежде всего, от архитектуры процессора и от системы программирования и практически не зависит от объема реальной физической памяти компьютера. Можно еще сказать, что адреса команд и переменных в машинной программе, подготовленной к выполнению системой программирования, как раз и являются виртуальными адресами.

Как мы знаем, система программирования осуществляет трансляцию и компоновку программы, используя библиотечные программные модули. В результате работы системы программирования полученные виртуальные адреса могут иметь как двоичную форму, так и символьно-двоичную. Это означает, что некоторые программные модули (их, как правило, большинство) и их переменные получают какие-то числовые значения, а те модули, адреса для которых пока не могут быть определены, имеют по-прежнему символьную форму, и их окончательная привязка к физическим ячейкам будет осуществлена на этапе загрузки программы в па­мять перед ее непосредственным выполнением.

Одним из частных случаев отображения пространства символьных имен на физическую память является полная тождественность виртуального адресного простран­ства физической памяти. При этом нет необходимости осуществлять второе отображение. В таком случае говорят, что система программирования генерирует абсолютную двоичную программу; в этой программе все двоичные адреса таковы, что программа может исполняться только тогда, когда ее виртуальные адреса будут точно соответствовать физическим. Часть программных модулей любой операционной системы обязательно должна быть абсолютными двоичными программами. Эти программы размещаются по фиксированным адресам физической памяти, и с их помощью уже можно впоследствии реализовывать размещение остальных программ, подготовленных системой программирования таким образом, что они могут работать на различных физических адресах (то есть на тех адресах, на кото­рые их разместит операционная система).

В качестве примера таких программ можно назвать программы загрузки операционной системы. Другим частным случаем этой общей схемы трансляции адресного пространства является тождественность виртуального адресного пространства исходному логическому пространству имен. Здесь уже отображение выполняется самой операционной системой, которая во время исполнения использует таблицу символьных имен. Такая схема отображения используется чрезвычайно редко, так как отобра­жение имен на адреса необходимо выполнять для каждого вхождения имени (каж­дого нового имени), и особенно много времени тратится на квалификацию имен. Данную схему можно было встретить в интерпретаторах, в которых стадии трансляции и исполнения практически неразличимы. Это характерно для простейших компьютерных систем, в которых вместо операционной системы использовался встроенный интерпретатор (например, Basic).

Возможны и промежуточные варианты. В простейшем случае транслятор-компиля­тор генерирует относительные адреса, которые, по сути, являются виртуальными адресами, с последующей настройкой программы на один из непрерывных разде­лов. Второе отображение осуществляется перемещающим загрузчиком. После загрузки программы виртуальный адрес теряется, и доступ выполняется непосредственно к физическим ячейкам.

Более эффективное решение достигается в том случае, когда транслятор вырабатывает в качестве виртуального адреса относительный адрес и информацию о начальном адресе, а процессор, используя подготавливаемую операционной системой адресную информацию, выполняет второе отображение не один раз (при загрузке программы), a пpи каждом обращении к памяти. Термин виртуальная память фактически относится к системам, которые сохраняют виртуальные адреса во время исполнения. Так как второе отображение осуществляется в процессе исполнения задачи, то адреса физических ячеек могут изменяться. При правильном применении такие изменения улучшают использование памяти, избавляя программиста от деталей управления ею, и даже повышают надежность вычислений.

Если рассматривать общую схему двухэтапного отображения адресов, то с пози­ции соотношения объемов упомянутых адресных пространств можно отметить наличие следующих трех ситуаций:

§ объем виртуального адресного пространства программы V_v меньше объема фи­зической памяти V_p (V_v < V_p);

§ объем виртуального адресного пространства программы V_v равен объему фи­зической памяти V_p (V_v = V_p);

§ О объем виртуального адресного пространства программы V_v больше объема физической памяти V_p (V_v > V_p). I

Первая ситуация (V_v < V_p) ныне практически не встречается, но, тем не менее, это реальное соотношение. Скажем, не так давно 16-разрядные мини-ЭВМ имели систему команд, в которых пользователи-программисты могли адресовать до 2¹⁶ - 64 Кбайт адресов (обычно в качестве адресуемой единицы выступала ячейка памяти размером с байт). А физически старшие модели этих мини-ЭВМ могли иметь объем оперативной памяти в несколько мегабайтов. Обращение к памяти столь большого объема осуществлялось с помощью специальных регистров, содержимое которых складывалось с адресом операнда (или команды), извлекаемым из поля операнда или указателя команды (и/или определяемым по значению поля операнда или указателя команды). Соответствующие значения в эти специальные регистры, выступающие как базовое смещение в памяти, заносила операционная система. Для одной задачи в регистр заносилось одно значение, а для второй (третьей, четвертой и т. д.) задачи, размещаемой одновременно с первой, но в другой области памяти, заносилось, соответственно, другое значение. Вся физическая память таким образом разбивалась на разделы объемом по 64 Кбайт, и на каждый такой раздел осуществлялось отображение своего виртуального адресного пространства.

Вторая ситуация (V_v = V_p) встречается очень часто, особенно характерна она была для недорогих вычислительных комплексов. Для этого случая имеется большое количество методов распределения оперативной памяти.

Наконец, в наше время мы уже достигли того, что ситуация превышения объема виртуального адресного пространства программы над объемом физической памя­ти (V_v > V_p) характерна даже для персональных компьютеров, то есть для самых распространенных и недорогих машин. Теперь это самая обычная ситуация, и для нее имеется несколько методов распределения памяти, отличающихся как сложностью, так и эффективностью.