Основы операционных систем

Часть III.
Управление памятью
Лекция 8.
Простейшие схемы управления памятью

Иерархия памяти
Вторичная память
Оперативная память
Кэш
Регистры
Стоимость
одного бита
Время доступа
Объем
Управляется ОС
Управляется менеджером памяти

Принцип локальности
Большинство реальных программ в течение некоторого отрезка времени работает с небольшим набором адресов памяти – это принцип локальности
Принцип локальности связан с особенностями человеческого мышления

Проблема разрешения адресов
Человеку свойственно символическое мышление. Адреса (имена) переменных описываются идентификаторами, формируя символьное адресное пространство
Оперативная физическая память может быть представлена в виде массива ячеек с линейными адресами.
Совокупность всех доступных физических адресов в вычислительной системе – это ее физическое адресное пространство
Как ?
Когда ?

Связывание адресов
Другие
объектные
модули
Загрузчик
Двоичный
образ
в памяти
Системные
библиотеки
Динамические
библиотеки
Процессор
и
БУП
Исходная
программа
Компилятор
Объектный
модуль
Редактор
связей
Загрузочный модуль
Этап компиляции
Этап загрузки
Этап выполнения

Логическое адресное пространство
Символьное адресное пространство – совокупность всех допустимых идентификаторов переменных
Логическое адресное пространство – совокупность всех допустимых адресов, с которыми работает процессор
Физическое адресное пространство – совокупность всех доступных физических адресов в вычислительной системе

Функции ОС и hardware
для управления памятью
Отображение логического адресного пространства процесса на физическое адресное пространство
Распределение памяти между конкурирующими процессами
Контроль доступа к адресным пространствам процессов
Выгрузка процессов (целиком или частично) во внешнюю память
Учет свободной и занятой памяти

Однопрограммная вычислительная система
ОС
ОС
0
Процесс
пользователя
Процесс
пользователя

Схема
с фиксированными разделами
ОС
0
Раздел 1
Раздел 2
Раздел 3
Задание 1
Задание 2
Задание 3
Задание 4
Очередь заданий
Очереди заданий
Процесс 1
Процесс 2
Процесс 3

Внутренняя фрагментация
ОС
0
Раздел 1
Раздел 2
Раздел 3
Процесс 1
Процесс 2
Процесс 3
Внутренняя фрагментация – «потеря» части памяти, выделенной процессу, но не используемой им

Способы
организации больших программ
Оверлейная структура
Программа разбивается на несколько частей. Постоянно в памяти находится только загрузчик оверлеев, небольшое количество общих данных и процедур, а части загружаются по очереди
Динамическая загрузка процедур
Процедуры загружаются в память только по мере необходимости, после обращения к ним
Оба способа основаны на применении принципа локальности

Схема
с динамическими разделами
ОС
0
200
1000
Очередь заданий
1
2
3
4
5
200
300
250
10
5
20
250
70
8
15
P1
время 10
400
P2
время 5
700
P3
время 20
950
P4
время 8
650
P1
время 5
P3
время 16
P3
время 11
P4
время 4
P5
270

Схема
с динамическими разделами
Стратегии размещения нового процесса
в памяти
Первый подходящий (first-fit). Процесс размещается в первое подходящее по размеру пустое место
Наиболее подходящий (best-fit). Процесс размещается в наименьшее подходящее по размеру пустое место
Наименее подходящий (worst-fit). Процесс размещается в наибольшее пустое место

Схема
с динамическими разделами
ОС
0
200
1000
Очередь заданий
5
70
15
P1
время 5
400
700
P3
время 16
950
P4
время 8
650

Схема
с динамическими разделами
ОС
0
200
1000
P1
время 5
400
700
P3
время 15
950
P4
время 8
650
Внешняя фрагментация – невозможность использования памяти, неиспользуемой процессами, из-за ее раздробленности
Возможна и внутренняя фрагментация при почти полном заполнении процессом пустого фрагмента

Схема
с динамическими разделами
ОС
0
200
1000
400
700
950
P4
650
P5
270
520
770
P3
Сборка мусора
CPU
Сегментный
регистр
+
Память
Логический адрес
Физический адрес
MMU – БУП

Линейное
непрерывное отображение
Логическое
адресное
пространство
Физическое
адресное
пространство
0
100
N
N+100

Линейное
кусочно-непрерывное отображение
Логическое
адресное
пространство
Физическое
адресное
пространство
Page 0
Page 1
Page 2
Page 3
Page 4
Кадр 0
Кадр 1
Кадр 2
Кадр 3
Кадр 4
Кадр 5
Кадр 6
Кадр 7
Кадр 8
Логический адрес =
Npage*size + offset
(Npage, offset)
Физический адрес =
Nframe*size + offset
(Nfrаme, offset)
Страничная организация памяти
0
1
2
3
4
Таблица
страниц
3
4
6
7
1
Npage -> Nframe
Серый цвет – занятое место
Свойственна внутренняя фрагментация

Линейное
кусочно-непрерывное отображение
Страничная организация памяти
CPU
Логический адрес
offset
page
Таблица
страниц
кадр
Память
Физический адрес
offset
кадр
MMU
атрибуты

Линейное
кусочно-непрерывное отображение
Логическое
адресное
пространство
Физическое
адресное
пространство
Логический адрес –
двумерный =
(Nseg, offset)
Физический адрес линейный = физический адрес начала сегмента + offset
Сегментная организация памяти
Сегмент 1
Сегмент 2
Сегмент 3
Серый цвет – занятое место
0
0
0
Свойственна внешняя фрагментация

Линейное
кусочно-непрерывное отображение
Сегментная организация памяти
CPU
Логический
адрес
offset
Nseg
Таблица
сегментов
Память
Физический адрес
Максимальный размер сегмента
+

Линейное
кусочно-непрерывное отображение
Сегментная организация памяти
CPU
Логический
адрес
offset
Nseg
Таблица
сегментов
Память
Физический
адрес
Максимальный размер сегмента
Offset <=
размер
+
ошибка
нет
да