Функции системы управления памятью.

Чтобы обеспечить эффективный контроль использования памяти, ОС должна выполнять следующие функции:

отображение адресного пространства процесса на конкретные области физической памяти;

распределение памяти между конкурирующими процессами;

контроль доступа к адресным пространствам процессов;

выгрузка процессов (целиком или частично) во внешнюю память, когда в оперативной памяти недостаточно места;

учет свободной и занятой памяти.

В следующих разделах лекции рассматривается ряд конкретных схем управления памятью. Каждая схема включает в себя определенную идеологию управления, а также алгоритмы и структуры данных и зависит от архитектурных особенностей используемой системы. Вначале будут рассмотрены простейшие схемы. Доминирующая на сегодня схема виртуальной памяти будет описана в последующих лекциях.

 

Простейшие схемы управления памятью.

Первые ОС применяли очень простые методы управления памятью. Вначале каждый процесс пользователя должен был полностью поместиться в основной памяти, занимать непрерывную область памяти, а система принимала к обслуживанию дополнительные пользовательские процессы до тех пор, пока все они одновременно помещались в основной памяти. Затем появился "простой свопинг" (система по-прежнему размещает каждый процесс в основной памяти целиком, но иногда на основании некоторого критерия целиком сбрасывает образ некоторого процесса из основной памяти во внешнюю и заменяет его в основной памяти образом другого процесса). Такого рода схемы имеют не только историческую ценность. В настоящее время они применяются в учебных и научно-исследовательских модельных ОС, а также в ОС для встроенных (embedded) компьютеров.

Схема с фиксированными разделами.

Самым простым способом управления оперативной памятью является ее предварительное (обычно на этапе генерации или в момент загрузки системы) разбиение на несколько разделов фиксированной величины. Поступающие процессы помещаются в тот или иной раздел. При этом происходит условное разбиение физического адресного пространства. Связывание логических и физических адресов процесса происходит на этапе его загрузки в конкретный раздел, иногда – на этапе компиляции.

Каждый раздел может иметь свою очередь процессов, а может существовать и глобальная очередь для всех разделов(см. рис. 8.4).

Эта схема была реализована в IBM OS/360 (MFT), DEC RSX-11 и ряде других систем.

Подсистема управления памятью оценивает размер поступившего процесса, выбирает подходящий для него раздел, осуществляет загрузку процесса в этот раздел и настройку адресов.

Рис. 8.4. Схема с фиксированными разделами: (a) – с общей очередью процессов, (b) – с отдельными очередями процессов

Очевидный недостаток этой схемы – число одновременно выполняемых процессов ограничено числом разделов.

Другим существенным недостатком является то, что предлагаемая схема сильно страдает от внутренней фрагментации – потери части памяти, выделенной процессу, но не используемой им. Фрагментация возникает потому, что процесс не полностью занимает выделенный ему раздел или потому, что некоторые разделы слишком малы для выполняемых пользовательских программ.

 

Один процесс в памяти.

Частный случай схемы с фиксированными разделами – работа менеджера памяти однозадачной ОС. В памяти размещается один пользовательский процесс. Остается определить, где располагается пользовательская программа по отношению к ОС – в верхней части памяти, в нижней или в средней. Причем часть ОС может быть в ROM (например, BIOS, драйверы устройств). Главный фактор, влияющий на это решение, – расположение вектора прерываний, который обычно локализован в нижней части памяти, поэтому ОС также размещают в нижней. Примером такой организации может служить ОС MS-DOS.

Защита адресного пространства ОС от пользовательской программы может быть организована при помощи одного граничного регистра, содержащего адрес границы ОС.

 

Оверлейная структура

Так как размер логического адресного пространства процесса может быть больше, чем размер выделенного ему раздела (или больше, чем размер самого большого раздела), иногда используется техника, называемая оверлей (overlay) или организация структуры с перекрытием. Основная идея – держать в памяти только те инструкции программы, которые нужны в данный момент.

Потребность в таком способе загрузки появляется, если логическое адресное пространство системы мало, например 1 Мбайт (MS-DOS) или даже всего 64 Кбайта (PDP-11), а программа относительно велика. На современных 32-разрядных системах, где виртуальное адресное пространство измеряется гигабайтами, проблемы с нехваткой памяти решаются другими способами (см. раздел "Виртуальная память").

Рис. 8.5. Организация структуры с перекрытием. Можно поочередно загружать в память ветви A-B, A-C-D и A-C-E программы

Коды ветвей оверлейной структуры программы находятся на диске как абсолютные образы памяти и считываются драйвером оверлеев при необходимости. Для описания оверлейной структуры обычно используется специальный несложный язык (overlay description language). Совокупность файлов исполняемой программы дополняется файлом (обычно с расширением.odl), описывающим дерево вызовов внутри программы. Для примера, приведенного на рис. 8.5, текст этого файла может выглядеть так:

A-(B,C)

C-(D,E)

Синтаксис подобного файла может распознаваться загрузчиком. Привязка к физической памяти происходит в момент очередной загрузки одной из ветвей программы.

Оверлеи могут быть полностью реализованы на пользовательском уровне в системах с простой файловой структурой. ОС при этом лишь делает несколько больше операций ввода-вывода. Типовое решение – порождение линкером специальных команд, которые включают загрузчик каждый раз, когда требуется обращение к одной из перекрывающихся ветвей программы.

Тщательное проектирование оверлейной структуры отнимает много времени и требует знания устройства программы, ее кода, данных и языка описания оверлейной структуры. По этой причине применение оверлеев ограничено компьютерами с небольшим логическим адресным пространством. Как мы увидим в дальнейшем, проблема оверлейных сегментов, контролируемых программистом, отпадает благодаря появлению систем виртуальной памяти.

Заметим, что возможность организации структур с перекрытиями во многом обусловлена свойством локальности, которое позволяет хранить в памяти только ту информацию, которая необходима в конкретный момент вычислений.

 

10.Планирование процессов. Основные понятия планирования

Процессов.

Планирование - обеспечение поочередного доступа процессов к одному процессору.

Планировщик - отвечающая за это часть операционной системы.

Алгоритм планирования - используемый алгоритм для планирования.

Ситуации, когда необходимо планирование:

Когда создается процесс

Когда процесс завершает работу

Когда процесс блокируется на операции ввода/вывода, семафоре, и т.д.

При прерывании ввода/вывода.

Алгоритм планирования без переключений (неприоритетный) - не требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс останавливается только когда блокируется или завершает работу.

Алгоритм планирования с переключениями (приоритетный) - требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс работает только отведенный период времени, после этого он приостанавливается по таймеру, чтобы передать управление планировщику.

Необходимость алгоритма планирования зависит от задач, для которых будет использоваться операционная система.

Основные три системы:

Системы пакетной обработки - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм (например: для расчетных программ).

Интерактивные системы - могут использовать только приоритетный алгоритм, нельзя допустить чтобы один процесс занял надолго процессор (например: сервер общего доступа или персональный компьютер).

Системы реального времени - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм (например: система управления автомобилем).

11.Задача алгоритмов планирования.

Для всех систем

Справедливость - каждому процессу справедливую долю процессорного времени

Контроль над выполнением принятой политики
Баланс - поддержка занятости всех частей системы (например: чтобы были заняты процессор и устройства ввода/вывода)

Системы пакетной обработки

Пропускная способность - количество задач в час
Оборотное время - минимизация времени на ожидание обслуживания и обработку задач.
Использование процесса - чтобы процессор всегда был занят.

Интерактивные системы

Время отклика - быстрая реакция на запросы
Соразмерность - выполнение ожиданий пользователя (например: пользователь не готов к долгой загрузке системы)

Системы реального времени

Окончание работы к сроку - предотвращение потери данных
Предсказуемость - предотвращение деградации качества в мультимедийных системах (например: потерь качества звука должно быть меньше чем видео)

 

Планирования в системах пакетной обработки.

4.2.1"Первый пришел - первым обслужен"(FIFO - First In Fist Out)

Процессы ставятся в очередь по мере поступления.

Преимущества:

Простата

Справедливость (как в очереди покупателей, кто последний пришел, тот оказался в конце очереди)

Недостатки:

Процесс, ограниченный возможностями процессора может затормозить более быстрые процессы, ограниченные устройствами ввода/вывода.

4.2.2"Кратчайшая задача - первая"

 

Нижняя очередь выстроена с учетом этого алгоритма

 

Преимущества:

Уменьшение оборотного времени

Справедливость (как в очереди покупателей, кто без сдачи проходит в перед)

Недостатки:

Длинный процесс занявший процессор, не пустит более новые краткие процессы, которые пришли позже.

4.2.3Наименьшее оставшееся время выполнение

Аналог предыдущего, но если приходит новый процесс, его полное время выполнения сравнивается с оставшимся временем выполнения текущего процесса.

 

4.2.4Трехуровневое планирование

 

Трехуровневое планирование

 

 

Планировщик доступа выбирает задачи оптимальным образом (например: процессы, ограниченные процессором и вводом/выводом).

Если процессов в памяти слишком много, планировщик памяти выгружает и загружает некоторые процессы на диск. Количество процессов находящихся в памяти, называется степенью многозадачности

 

Планирования в интерактивных системах. Циклическое

планирование.

4.3.1Циклическое планирование

Самый простой алгоритм планирования и часто используемый.

Каждому процессу предоставляется квант времени процессора. Когда квант заканчивается процесс переводится планировщиком в конец очереди. При блокировке процессор выпадает из очереди.

 

Пример циклического планирования

 

Преимущества:

Простата

Справедливость (как в очереди покупателей, каждому только по килограмму)

Недостатки:

Если частые переключения (квант - 4мс, а время переключения равно 1мс), то происходит уменьшение производительности.

Если редкие переключения (квант - 100мс, а время переключения равно 1мс), то происходит увеличение времени ответа на запрос.

 

14.Приоритетное планирование.

Каждому процессу присваивается приоритет, и управление передается процессу с самым высоким приоритетом.

Приоритет может быть динамический и статический.

Динамический приоритет может устанавливаться так:

П=1/Т, где Т- часть использованного в последний раз кванта

Если использовано 1/50 кванта, то приоритет 50.

Если использован весь квант, то приоритет 1.

Т.е. процессы, ограниченные вводом/вывода, будут иметь приоритет над процессами ограниченными процессором.

Часто процессы объединяют по приоритетам в группы, и используют приоритетное планирование среди групп, но внутри группы используют циклическое планирование.

 

Приоритетное планирование 4-х групп