Сегментная организация памяти. Дескриптор сегмента. Трансляция адресов, основанная на сегментации

Понятие о сегментированной модели памяти

Память для программы делится на непрерывные области памяти, называемые сегментами.

Сегменты - это логические элементы программы.

Сама программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах.

Сегмент представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.

Сегментация - механизм адресации, обеспечивающий существование нескольких независимых адресных пространств как в пределах одной задачи, так и в системе в целом для защиты задач от взаимного влияния.

Замечание. Программист может либо самостоятельно разбивать программу на фрагменты (сегменты), либо автоматизировать этот процесс и возложить его на систему программирования.

Для микропроцессоров Intel принят особый подход к управлению памятью. Каждая программа в общем случае может состоять из любого количества сегментов, но непосредственный доступ она имеет только к 3 основным сегментам: кода, данных и стека и к дополнительным сегментам данных (всего 3).

Операционная система (! а не сама программа) размещает сегменты программы в ОП по определенным физическим адресам, а значения этих адресов записывает в определенные места, в зависимости от режима работы микропроцессора:

 в реальном режиме адреса помещаются непосредственно в сегментные регистры (cs, ds, ss, es, gs, fs);

 в защищенном режиме - в специальную системную дескрипторную таблицу (Элементом дескрипторной таблицы является дескриптор сегмента. Каждый сегмент имеет дескриптор сегмента -8 байт. Существует три дескрипторные таблицы. Адрес каждой таблицы записывается в специальный системный регистр).

Для доступа к данным внутри сегмента обращение производится относительно начала сегмента линейно, т.е. начиная с 0 и заканчивая адресом, равным размеру сегмента. Этот адрес называется смещением (offset).

Таким образом, для обращения к конкретному физическому адресу ОП необходимо определить адрес начала сегмента и смещение внутри сегмента.

Физический адрес принято записывать парой этих значений, разделенных двоеточием

                   segment: offset  

Например, 0040:001Ch; 0000:041Ch; 0020:021Ch; 0041:000Ch.

Каждый сегмент описывается дескриптором сегмента.

ОС строит для каждого исполняемого процесса соответствующую таблицу дескрипторов сегментов и при размещении каждого из сегментов в ОП или внешней памяти в дескрипторе отмечает его текущее местоположение (бит присутствия).

Дескриптор содержит поле адреса, с которого сегмент начинается и поле длины сегмента. Благодаря этому можно осуществлять контроль

1) размещения сегментов без наложения друг на друга

2) обращается ли код исполняющейся задачи за пределы текущего сегмента.

В дескрипторе содержатся также данные о правах доступа к сегменту (запрет на модификацию, можно ли его предоставлять другой задаче) Þ защита.

Достоинства:

1) общий объем виртуальной памяти превосходит объем физической памяти

2) возможность размещать в памяти как можно больше задач (до определенного предела) Þ увеличивает загрузку системы и более эффективно используются ресурсы системы

Недостатки:

1) увеличивается время на доступ к искомой ячейке памяти, т.к. должны вначале прочитать дескриптор сегмента, а потом уже, используя его данные, можно вычислить физический адрес (для уменьшения этих потерь используется кэширование - дескрипторы, с которыми работа идет в данный момент размещаются в сверхоперативной памяти - в специальных регистрах процессора);

2) фрагментация;

3) потери памяти на размещение дескрипторных таблиц

4) потери процессорного времени на обработку дескрипторных таблиц.

Сегментированная модель памяти поддерживается и в реальном, и в защищенном режимах работы микропроцессора.

 

Сегментно-страничная организация памяти. Преимущества и недостатки.

Виртуальное адресное пространство процесса разбивается на сегменты, а каждый сегмент разбивается на страницы фиксированного размера. Перемещение данных между основной и внешней памятью осуществляется страницами. Однако разбиение на сегменты позволяет определять разные права доступа к разным частям кода и данных программы. С каждым процессом

связана одна таблица сегментов и несколько (по одной на сегмент) таблиц страниц. Начальный адрес таблицы сегментов извлекается из регистра процессора. Первая компонента виртуального адреса содержит номер сегмента, который служит указателем в таблице сегментов на таблицу страниц. Вторая компонента виртуального адреса (смещение относительно начала сегмента) состоит из двух полей: номера виртуальной страницы, который служит указателем в таблице страниц на физическую страницу и смещения относительно начала страницы.

Достоинства: разбиение программы на сегменты позволит размещать сегменты целиком в памяти, причем все страницы сегмента загружаются в память. Это уменьшает количество страничных прерываний. Страницы исполняемого сегмента могут располагаться не обязательно радом в памяти.

Недостатки: большая задержка доступа к памяти (в 3 раза больше), данный способ требует значительных затрат вычислительных ресурсов.

В большинстве современных микропроцессорах – плоская модель памяти – один сегмент разбитый на страницы.

Сегментно-страничная и страничная организация памяти позволяет легко организовать совместное использование одних и тех же данных и программного кода разными задачами. Для этого различные логические блоки памяти разных процессов отображают в один и тот же блок физической памяти, где размещается разделяемый фрагмент кода или данных.

Оверлей – структурная разбивка исполняемого кода на чисти которые подгружаются ОС в оперативн память только при необходимости.