6. Классы систем с виртуальной памятью.

• основанные на страницах;
• основанные на сегментах;
• гибридные (сегмент включает целое число страниц);

Организация страничной виртуальной памяти

Физическая и виртуальная память разбивается на блоки, называемые страницами, содержащими одно и тоже число байт. Страницам виртуальной и физической памяти присваиваются номера. Каждая физическая страница способна хранить одну из виртуальных страниц. Порядок расположения (нумерация) байт в виртуальной и физической страницах сохраняется одним и тем же.

Прерывание отсутствия страницы

Если имеется обращение к странице, то первое такое обращение вызовет прерывание операционной системы: прерывание отсутствия страницы.

Алгоритм обработки:

1. ОС принимает решение: если некорректный номер страницы –
   ошибка; если страница отсутствует в памяти – продолжаем.
2. Получение свободного страничного кадра.
3. Загрузка страницы с диска.
4. Изменение служебных битов в таблице страниц, например, бита
   присутствия в памяти.
5. Перезапуск инструкции, приведшей к прерыванию.

Запись (entry) таблицы страниц

Элементы, общие для большинства реализаций:

• Номер страничного кадра.
• Present/Absent – бит присутствия в ОП.
• Protection bits (Read/Write/Execute) – права чтения, записи, выполнения.
• Modified bit (Dirty bit) – w – страница была изменена, выставляется при записи на страницу. Если не выставлен, то страничный кадр можно не перезаписывать на жесткий диск.
• Referenced bit – r/w – страница была прочитана или изменена (используется в алгоритмах вытеснения страниц на жесткий диск).
• Caching disabled – запрет кэширования (например, при работе с устройствами ввода/вывода).

Элементы, присутствующие в некоторых реализациях:

• ASID (Address Space ID) для каждого процесса, что позволяет организовать разделение объекта между небольшой группой процессов. Используется, например, в MIPS R10000.
• Global bit – игнорирование поля ASID. В таком случае область памяти доступна всем процессам.
• Valid bit – запись содержит корректное отображение.

Проблема фрагментации

• Порядка 25% памяти оказывается непригодной для выделения при swapping’e.
• Сжатие – перенос программы на другие адреса.
• Внешняя фрагментация представляет собой неиспользуемое пространство между блоками.
• Внутренняя фрагментация – неиспользуемое пространство внутри блока.

Влияние размера страницы

• Большой размер страницы (32 Кб) приводит к большим издержкам из- за внутренней фрагментации.
• Большой размер может ухудшить время запуска мелких процессов.
• Большой размер сокращает число промахов буфера быстрого преобразования адреса (TLB) из-за увеличения отображаемой памяти. Может положительно сказаться на числе попаданий при кэшировании.
• Малый размер страницы увеличивает размер таблицы страниц.
• Малый размер приводит к неэффективному использованию пропускной способности жесткого диска.

Вызов страниц по требованию и рабочее множество

• Вызов страниц по требованию, по сути «ленивый» подход. Вопрос о целесообразности его применения имеет место только при запуске программы.
• Рабочее множество – набор страниц, использовавшихся в последние k обращений.
• Предзагрузка страниц – техника, используемая для сокращения числа страничных прерываний, происходящих при запуске процесса. Суть состоит в загрузке всех или части страниц, которые понадобятся процессу (т.е. рабочего множества), до того момента как к ним произойдет обращение.

Сегментация

Сегментация позволяет организовать несколько адресных пространств. Адресация осуществляется путем указания номера сегмента и адреса внутри
сегмента.

Преимущества:

1. Упрощение связывания процедур.
2. Если процедура в некотором сегменте изменялась и перекомпилировалась, то остальные можно не трогать.
3. Облегчение разделения общих процедур и данных между несколькими программами.
4. Разные сегменты могут иметь разные виды защиты. Например, кодовый сегмент допускает только считывание и выполнение, для массивов данных – запись и считывание и т.д.

Реализация сегментации:

• Таблица сегментов – структура, хранящая для каждого сегмента его начальный физический адрес (базу), длину и свойства.
• Смещение логического адреса должно быть меньше размера сегмента, иначе будет выброшено исключение защиты.

Гибридная модель - сегменты, разбитые настраницы.