Особенности управления основной памятью ЭВМ

Алгоритмы распределения, использования, освобождения ресурсов и представления к ним доступа предназначены для наиболее эффективной организации работы всего комплекса устройств ЭВМ. Рассмотрим их на примере управления основной памятью.

Для выполнения программы при ее загрузке в основную память ей выделяется часть машинных ресурсов - они необходимы для размещения команд, данных, управляющих таблиц и областей ввода-вывода, т. е. производится трансляция адресного пространства откомпилированной программы в местоположение в реальной памяти.

Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом (особенно если он работает на языке, близком машинному), но может производиться и операционной системой.

Если выделение ресурсов производится перед выполнением программы, такой процесс называется статическим перемещением, в результате которого программа "привязывается" к определенному месту в памяти вычислительной машины. Если же ресурсы выделяются в процессе выполнения программы, это называется динамическим перемещением, в этом случае программа не привязана к определенному месту в реальной памяти. Динамический режим можно реализовать только с помощью операционной системы.

При статическом перемещении могут встретиться два случая.

Реальная память больше требуемого адресного пространства программы (рис.16.2):

Рис. 16.2. Загрузка программы в реальную память

В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с нулевого адреса.

Загружаемая программа А является абсолютной программой, так как никакого изменения адресов в адресном пространстве, подготовленном компилятором, при загрузке в основную память не происходит - программа располагается с адреса реальной памяти 0h.

Реальная память меньше требуемого адресного пространства программы (рис.16.3):

Рис. 16.3. Загрузка при реальной памяти меньше требуемого адресного пространства

В этом случае программист (или операционная система) вынужден решать проблему, как организовать выполнение программы. Методов решения проблемы существует несколько: можно создать оверлейную структуру (т. е. разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости), сделать модули программы реентерабельными (т.е. допускающими одновременную работу модуля по нескольким обращениям из разных частей программы или из различных программ) и так далее.

В некоторых операционных системах адреса откомпилированной (с адреса 0h) программы могут быть преобразованы в адреса реальной памяти, отличные от 0h. При этом создается абсолютный модуль, который требует размещения его в памяти всегда с одного и того же адреса.

Тогда, при мультипрограммном режиме, если имеем программы А, В и С, для которых известно, что программа А выполняется при размещении в памяти с адреса 60 Кбайт до 90 Кбайт, В - с 60 Кбайт до 90 Кбайт, С - с 50 Кбайт до 120 Кбайт, организовать их совместное выполнение невозможно, так как им необходим один и тот же участок реальной памяти. Эти программы будут ждать друг друга, либо их нужно заново редактировать с другого адреса.

При работе в мультипрограммном режиме может сложиться ситуация, когда между программами образуются незанятые участки памяти. Такое состояние называется фрагментацией реальной памяти. Оно характерно для систем со статическим перемещением (рис.16.4).

Рис. 16.4. Фрагментация памяти

В системах с динамическим перемещением программ перемещающий загрузчик размещает программу в свободной части памяти и допускает использование несмежных ее участков (рис.16.5).

Рис. 16.5. Динамическое перемещение программ

В этом случае имеется больше возможностей для организации мультипрограммной работы, а следовательно, и для более эффективного использования временных ресурсов ЭВМ.

При больших размерах реализуемых программ возникают некоторые противоречия в организации мультипрограммного режима работы и трудности динамического распределения ресурсов.

В настоящее время разработано несколько способов решения этих противоречий. Например, для борьбы с фрагментацией основной памяти адресное пространство программы может быть разбито на отдельные сегменты, слабо связанные между собой. Тогда программа, которая имеет длину, превышающую размеры свободных участков памяти, может быть представлена в виде ряда сегментов, загружаемых в различные области ОП. Это позволяет использовать реальную память, теряемую из-за фрагментации.

Адреса в каждом сегменте начинаются с 0h. При статическом перемещении программы в процессе загрузки ее в основную память адреса должны быть привязаны к конкретному месту в памяти, на это уходит много времени, отвлекаются вычислительные ресурсы. Более эффективной является динамическая трансляция адресов (ДТА), которая заключается в том, что сегменты загружаются в основную память без трансляции адресного пространства (т.е. без изменения адресов в программе с учетом физического размещения в памяти команд и данных), а трансляция адресов каждой команды производится в процессе ее выполнения. Этот тип трансляции называется динамическим перемещением и осуществляется специальными аппаратными средствами ДТА (рис.16.6).

Для динамической трансляции адресов (т.е. при определении абсолютных адресов по известным относительным, содержащим номер сегмента и смещение) операционная система строит специальные таблицы, устанавливающие соответствие между сегментируемым адресным пространством программы и действительными адресами сегментов в реальной памяти (рис.16.7).

Рис. 16.6. Динамическое перемещение программ

Рис. 16.7. Динамическая трансляция адресов

Каждая строка таблицы сегментов содержит адрес начала сегмента в реальной памяти. Для каждого сегмента имеется одна строка таблицы.

Таблицу сегментов содержит каждая выполняемая программа.

В дополнение к таблице сегментов для динамической трансляции адреса применяется специальный управляющий регистр, называемый регистром начала таблицы сегментов (РНТС, или STOR (segment table origin register)). В этот регистр занесен адрес таблицы сегментов выполняемой в данный момент программы. В МП Pentium в качестве РНТС используются 3 регистра: GDTR, LDTR и IDTR.

Использованием сегментации программ достигается уменьшение фрагментации основной памяти, но полностью фрагментация не устраняется - остаются фрагменты, длина которых меньше длины сегментов программы.

Если сегменты разделить на одну или несколько единиц, называемых страницами, которые имеют фиксированный размер, то, поскольку размер страницы достаточно мал по сравнению с обычным размером сегментов, неиспользуемые фрагменты ОП значительно сокращаются в объеме, будет происходить так называемая фрагментация внутри страниц. Следовательно, потери все-таки останутся, но они будут существенно меньше. Такая организация использования ресурсов называется сегментно-страничной.

Формирование сегментно-страничной структуры выполняется автоматически с помощью операционной системы.

Все преимущества динамического перемещения с применением сегментации и страничной организации достигаются благодаря аппаратуре и программному обеспечению, а не пользователям системы. Специальные программы во время загрузки разбивают адресное пространство программы на сегменты и страницы, строят таблицы сегментов и страниц. Средства ДТА автоматически транслируют адрес в процессе выполнения программы.