Сегментно–страничная организация памяти. Преимущества и недостатки данного способа.

-Сегментно-страничная память

Логическое пространство процесса разбивается по смыслу на сегменты, каждый из которых разбивается на страницы одинакового размера. Страницы отображаются в фреймах физического пространства. Логический адрес представляет собой тройку чисел: номер сегмента, по которому получается его таблица страниц, номер страницы, по которой получается номер фрейма, в которой она отображена и смещение внутри страницы, с использованием которого получается адрес физической ячейки

+осмысленность разбиения на сегменты сочетается с отсутствием фрагментации страничного подхода.

Одинаковый размер страниц и фреимов.

 

25. Страничная организация памяти (paging)- это такой способ управления памятью, при котором пространство адресов памяти разбивается на блоки фиксированной длины, называемыми физическими страницами.(pageframe). В этом случае адреса образуются подобно тому, как это делалось при сегментации пространства программных адресов. Каждый адрес представляет собой пару [p,d], где р - имя страницы, а d - смещение относительно начала страницы.

Каждой программе ставится в соответствие таблица страниц, которая содержит список страниц, отводимых данной программе. Отдельная запись таблицы содержит:

признак, показывающий находится ли данная страница в ОП;

указатель местоположения страницы (в ОП или вспомогательной памяти);

биты защиты для контроля способа доступа.

Кроме того, существует специальный регистр - регистр таблицы страниц, где находится информация о местоположении таблицы страниц, соответствующей выполняемой в данный момент программе.

Если во время выполнения программы встречается адрес [p,d], то по содержимому регистра страниц программа управления памятью находит таблицу страниц, где в р-ой записи находится информация, указывающая на искомую страницу. Следовательно, для того, чтобы добраться до необходимого слова требуется два обращения к памяти, как и в случае сегментации, одно - к таблице страниц, другое - к самой странице.

При каждом указателе местоположения страницы имеется признак, показывающий, присутствует ли данная страница в ОП. Если при проверке этого признака его значение “истина”, то страница находится в ОП и адрес вычисляется автоматически. Если значение признака “ложь”, то вырабатывается аппаратное прерывание, которое служит для супервизора сигналом для ввода в ОП соответствующей страницы - это событие называется прерыванием из-за отсутствия страницы.. Биты защиты гарантируют, что данная страница будет использоваться в соответствии с разрешенным для нее доступом, например, для чтения или для записи.

Всякая страничная система должна придерживаться определенных стратегий подкачек и вытеснения страниц. Первая стратегия - это правило, по которому выбирается страница для ввода в ОП. Вторая стратегия - какую страницу в ОП следует перекрыть, при условии, что другая страница уже подготовлена к вводу в ОП. Цель стратегий выборки и вытеснения - организация движения страниц, т.е. их перемещения из вспомогательной памяти в ОП и обратно.

Страничная организация памяти имеет многие преимущества, присущие сегментной организации. Однако фиксированная длина страниц приводит в важным различиям между двумя этими методами.

Поскольку размер страниц фиксирован, страница может оказаться недостаточно большой, чтобы в ней поместился целиком какой-то содержательный раздел программы. Поэтому задача установления внешних связей при страничной организации памяти не так проста, как в случае сегментации, но при фиксированной длине страниц значительно упрощается распределение памяти, т.е. ввести в ОП новую страницу фиксированной длины легче, чем новый сегмент - ее можно либо поместить в незанятую физическую страницу, либо вытеснить другую страницу, чтобы освободилось место для новой, причем в обоих случаях не требуется по новому располагать остальные страницы в ОП.

 

26. Организация виртуальной памяти в операционных системах.

ВП - устройство, позволяющее программистам рассм. ОЗУ как лог. объект, не интересуясь его физ. объемом. Принципы работы с ВП были разработаны, чтобы задания нескольких пользователей, выполняясь параллельно, могли одновр. присутств. в ОЗУ. ВП реш. две задачи: защищает программы друг от друга, а ядро ОС - от программ; управляет перемещением программ в памяти.

Одно из простых решений - снабжение ЦП двумя спец. рег.: базовым и предельным (граничным). При начале работы программы в базовый регистр помещается адрес ее начала, а в предельный - размер программы вместе с данными. При выборке ком. из памяти аппаратура проверяет счетчик команд (PC), и если он меньше, чем пред. рег., то доб. к нему значение базового регистра и сумму передает в адр. шину.

Базовый регистр позволяет программе ссылаться на любую часть памяти, следующую за хранящейся в ней адресом. Предельный регистр запрещает программе обращение к памяти за границы программы. С пом. этой схемы реш. обе задачи защиты и перем. программ. В рез. проверки и преобр. адрес, сформированный программой и называемый виртуальным, переводится в адрес, используемый памятью и называемый физическим. Устройство, которое выполняет проверку и преобразование, называется диспетчером памяти - MMU (Memory Management Unit). Оно расположено в ЦП.

Более сложный диспетчер памяти содержит две пары базовых и предельных регистров. Одна пара - для текста программы, другая - для данных. Появляется возможность делить одну и ту же программу между несколькими пользователями и при этом хранить в памяти только одну копию программы.

Из-за различий в кол. памяти, требующейся для разных программ, их трудно компактно разместить в ОЗУ. Поэтому разработаны системы со страничной организацией памяти, когда программа разбивается на блоки фиксированного размера - страницы (1 страница = 4 Кб). В этом случае обращение программы к ячейке памяти происходит по ВП, адрес которой состоит из номера страницы и смещения отн. ее начала. Страницы одной и той же прог. м/б разбросаны по всему ОЗУ. Система разбивки на страницы обесп. дин. соотв. м/у вирт. адресом, исп. программой, и реальным (физ.) адресом ОЗУ. Если программа обращается к странице, отсутствующей в ОЗУ, то диспетчер памяти обнаруживает это и загружает недост. страницу.

 

Физические принципы I/O.

Линия – электрическое соединение.

Шина – набор линий объединенных общим смыслам.

Разрядность шины – количество входящих линий.

Выделяют шины:

1. Шина адреса. Используется для указания номера ячейки памяти или порта ввода вывода, с которым производится обмен данными процесса.

2. Шина данных. Используется для передачи данных от процессора в ячейку памяти или порт ввода вывода или наоборот.

3. Шина управления. Используется для указания режима работы (чтения или записи) и источника или получателя данных (память или порты ввода вывода.

Шина данных, шина адреса и шина управления формируют центральную магистраль компьютера.

Порт ввода вывода – это точка подключения центральной магистрали к устройству ввода вывода. Адресное пространство портов ввода вывода – это множество номеров подключенных к системе или центральной магистрали устройств ввода вывода.

При записи в память, процессор устанавливает на шине адреса адрес нужной ячейки, на шине данных значение, которое должно быть записано, на шине управления – режим работы запись в память. Микросхема памяти, увидев этот режим на шине управления, заносит значение с шины данных в ячейку, указанную в шине адреса.

Запись в порт ввода вывода происходит аналогично, но на шине управления указывается режим записи на устройство ввода вывода; Сам процесс вывода устройства будет длительным и начнется после передачи процессором нескольких значений в порт ввода вывода.

DMA – Прямой доступ к памяти. Несколько каналов DMA, т.е. электрических соединений между устройствами ввода вывода и памятью позволяют производить обмен данными между памятью и устройством ввода вывода напрямую без непосредственного участи процессора.

Контроллер – это аппаратное устройство, которое обеспечивает стандартизированный интерфейс подключения устройства ввода вывода к аппаратной части компьютера и непосредственно управляется работой данного устройства ввода вывода.

Контроллер включает в себя порты ввода, вывода, управления. Каждый из них может иметь свой номер, либо все могут адресоваться под одним номером и различаться в зависимости от режима работы на шине управления.

Драйвер—программа, которая обеспечивает стандартизированный интерфейс подключения устройства к ОС на программном уровне.

Контроллер и драйвер разрабатываются производителем ус-в в/в для конкретных ОС, обеспечивают реализацию принципа независимости программ от внешних ус-в.

BIOS—базовая подсистема в\в—программно-аппаратная часть, отвечающая за взаимодействие ОС с драйверами ус-в в\в. Биос обеспечивает такие ф-ции:

1) Буферизация и кэширование

2) Спулинг spooling—очередь в\в

3) Обработка ошибок и исключений

Классификация ус-в в\в

1) Монопольного владения и разделяемые ус-ва

2) Символьные и блочные—символьные передают за один цикл один байт, блочные—несколько

3) Ус-во ввода и ус-во вывода и ус-во в\в

4) Сетевые ус-ва

 

28. Структура системы ввода-вывода. Классификация устройств.

Линия – электрическое соединение.

Шина – набор линий объединенных общим смыслам.

Разрядность шины – количество входящих линий.

Выделяют шины:

4. Шина адреса. Используется для указания номера ячейки памяти или порта ввода вывода, с которым производится обмен данными процесса.

5. Шина данных. Используется для передачи данных от процессора в ячейку памяти или порт ввода вывода или наоборот.

6. Шина управления. Используется для указания режима работы (чтения или записи) и источника или получателя данных (память или порты ввода вывода.

Шина данных, шина адреса и шина управления формируют центральную магистраль компьютера.

Порт ввода вывода – это точка подключения центральной магистрали к устройству ввода вывода. Адресное пространство портов ввода вывода – это множество номеров подключенных к системе или центральной магистрали устройств ввода вывода.

При записи в память, процессор устанавливает на шине адреса. Адрес нужной ячейки, на шине данных значение, которое должно быть записано, на шине управления – режим работы запись в память. Микросхема памяти, увидев этот режим на шине управления, заносит значение с шины данных в ячейку, указанную в шине адреса.

Запись в порт ввода вывода происходит аналогично, но на шине управления указывается режим записи на устройство ввода вывода; Сам процесс вывода устройства будет длительным и начнется после передачи процессором нескольких значений в порт ввода вывода.

DMA – Прямой доступ к памяти. Несколько каналов DMA, т.е. электрических соединений между устройствами ввода вывода и памятью позволяют производить обмен данными между памятью и устройством ввода вывода напрямую без непосредственного участи процессора.

Контроллер – это аппаратное устройство, которое обеспечивает стандартизированный интерфейс подключения устройства ввода вывода к аппаратной части компьютера и непосредственно управляется работой данного устройства ввода вывода.

Контроллер включает в себя порты ввода, вывода, управления. Каждый из них может иметь свой номер, либо все могут адресоваться под одним номером и различаться в зависимости от режима работы на шине управления.

Драйвер—программа, которая обеспечивает стандартизированный интерфейс подключения устройства к ОС на программном уровне.

Контроллер и драйвер разрабатываются производителем ус-в в/в для конкретных ОС, обеспечивают реализацию принципа независимости программ от внешних ус-в.

BIOS—базовая подсистема в\в—программно-аппаратная часть, отвечающая за взаимодействие ОС с драйверами ус-в в\в. Биос обеспечивает такие ф-ции:

4) Буферизация и кэширование

5) Спулинг spooling—очередь в\в

6) Обработка ошибок и исключений

Классификация ус-в в\в:

5) Монопольного владения и разделяемые ус-ва

6) Символьные и блочные—символьные передают за один цикл один байт, блочные—несколько

7) Ус-во ввода и ус-во вывода и ус-во в\в

8) Сетевые ус-ва