Сегментно-страничная виртуальная память

Данный метод организации виртуальной памяти направлен на сочетание достоинств страничного и сегментного методов управления памятью. В такой комбинированной системе адресное пространство пользователя разбивается на ряд сегментов по усмотрению программиста. Каждый сегмент в свою очередь разбивается на страницы фиксированного размера, равные странице физической памяти. С точки зрения программиста, логический адрес в этом случае состоит из номера сегмента и смещения в нем. С позиции операционной системы смещение в сегменте следует рассматривать как номер страницы определенного сегмента и смещение в ней (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Сегментно-страничная организация памяти

С каждым процессом связана одна таблица сегментов и несколько (по одной на сегмент) таблиц страниц. При работе определенного процесса в регистре процессора хранится начальный адрес соответствующей таблицы сегментов. Получив виртуальный адрес, процессор использует его часть, представляющую номер сегмента, в качестве индекса в таблице сегментов для поиска таблицы страниц данного сегмента. После этого часть адреса, представляющая собой номер страницы, используется для поиска номера физической страницы в таблице страниц. Затем часть адреса, представляющая смещения, используется для получения искомого физического адреса путем добавления к начальному адресу физической страницы.

Сегментация удобна для реализации защиты и совместного использования сегментов разными процессами. Поскольку каждая запись таблицы сегментов включает начальный адрес и значение длины, программа не в состоянии непреднамеренно обратиться к основной памяти за границами сегмента. Для того чтобы отличить разделяемые сегменты от индивидуальных, записи таблицы сегментов содержат 1-битовое поле, имеющее два значения: shared (разделяемый) или private (индивидуальный). Для осуществления совместного использования сегмента он помещается в виртуальное адресное пространство нескольких процессов, при этом параметры отображения этого сегмента настраиваются так, чтобы они соответствовали одной и той же области оперативной памяти (делается это указанием одного и того же базового физического адреса сегмента).

Возможен и более экономичный для ОС метод создания разделяемого виртуального сегмента – помещение его в общую часть виртуального адресного пространства, т.е. в ту часть, которая обычно задействуется для модулей ОС. В этом случае настройка соответствующей записи для разделяемого сегмента выполняется только один раз, а все процессы пользуются такой настройкой и совместно используют часть оперативной памяти.

Оба рассмотренных подхода к разделению сегмента можно иллюстрировать схемами, показанными ниже на рис. 6.21.

По второй схеме организована виртуальная память систем, работающих на процессоре Pentium. В Windows 2000 поддерживается 16 К независимых сегментов. У каждого процесса 4 Гбайт виртуального адресного пространства (из них 2 Гбайт отводится под ОС и 2 Гбайт – пользовательским программам). Основа виртуальной памяти Windows 2000 представляется двумя таблицами: локальной таблицей дескрипторов LDT (Local Descriptor Table) и глобальной таблицей дескрипторов GDT (Global Descriptor Table). У каждого процесса есть своя собственная таблица LDT, но глобальная таблица дескрипторов одна, ее совместно используют все процессы. Таблица LDT описывает сегменты, локальные для каждой программы, включая ее код, данные, стек и т.д.; таблица GDT несет информацию о системных сегментах, включая саму операционную систему.

 

Рис. 6.21. Разделяемые сегменты

В каждый момент времени в специальных регистрах GDTR и LDTR хранится информация о местоположении и размерах глобальной таблицы GDT и активной таблице LDT. Регистр LDTR указывает на расположение сегмента LDT в оперативной памяти косвенно – он содержит индекс дескриптора в таблице GTD, в котором содержится адрес таблицы LDT и ее размер.

Процесс обращается к физической памяти по виртуальному адресу, представляющему собой пару – селектор и смещение. Селектор определяет номер сегмента, а смещение – положение искомого адреса относительно начала сегмента. Селектор состоит из трех полей (рис. 6.22). Индекс задает пользовательский номер дескриптора в таблице GDT или LDT (всего 213 = 8 К сегментов). Таким образом, виртуальное адресное пространство процесса состоит из 8 К локальных и 8 К глобальных сегментов, всего из 16 К сегментов. Учитывая, что каждый сегмент имеет максимальный размер 4 Гбайт при чисто сегментной частосегментной? организации виртуальной памяти (без включения страничного механизма), процесс может работать в виртуальном адресном пространстве в 64 Тбайт.

Рис. 6.22. Сегментно-страничная организация памяти в Windows

Поле из двух битов селектора задает требуемый уровень привилегий, и используется механизм защиты. В системах на базе микропроцесса Pentium поддерживается 4 уровня защиты, где уровень 0 является наиболее привилегированным, а уровень 3 – наименее привилегированным. Эти уровни образуют так называемые кольца защиты (рис. 6.23).

 

Рис. 6.23. Кольца защиты в Windows

Система защиты манипулирует несколькими переменными, характеризующими уровень привилегий:

● DPL (Descriptor Privilege Level) – задается полем DPL в дескрипторе сегмента;

● RPL (Requested Privilege Level) – запрашиваемый уровень привилегий, задается полем RPL селектора сегмента;

● CPL (Current Privilege Level) – текущий уровень привилегий выполняемого кода, задается полем RPL селектора кодового сегмента;

● EPL (Effective Privilege Level) – эффективный уровень привилегий запроса.

Под запросом понимается любое обращение к памяти. Уровни привилегий DPL и RPL назначаются операционной системой при создании новых процессов и во время их загрузки в память. Уровень привилегий определяет не только возможности доступа к сегментам и дескрипторам, но и разрешенный набор инструкций. В каждый момент времени работающая программа находится на определенном уровне, что отмечается 2-битовым полем в регистре слова состояние программы (PSW). Уровень привилегий кодового сегмента DPL определяет текущий уровень привилегий CPL, фиксируемый в PSW.

Контроль доступа процесса к сегментным данным осуществляется на основе сопоставления эффективного уровня привилегий EPL запроса и уровня привилегий DPL дескриптора сегмента данных. Доступ может быть разрешен, если:

EPL <= DPL,

где EPL = max {CPL, RPL}.

Значение RPL – уровня запрашиваемых привилегий – определяется полем RPL -селектора, указывающего на запрашиваемый сегмент.

Тема 7. Подсистема ввода-вывода.

Устройства ввода-вывода

Внешние устройства, выполняющие операции ввода-вывода, можно разделить на три группы:

● устройства, работающие с пользователем. Используются для связи пользователя с компьютером. Сюда относятся принтеры, дисплеи, клавиатура, манипуляторы (мышь, трекбол, джойстики) и т.п.;

● устройства, работающие с компьютером. Используются для связи с электронным оборудованием. К ним можно отнести дисковые устройства и устройства с магнитными лентами, датчики, контроллеры, преобразователи;

● коммуникации. Используются для связи с удаленными устройствами. К ним относятся модемы и адаптеры цифровых линий.

По другому признаку устройства ввода-вывода можно разделить на блочные и символьные. Блочными являются устройства, хранящие информацию в виде блоков фиксированного размера, причем у каждого блока есть адрес и каждый блок может быть прочитан независимо от остальных блоков. Символьные устройства принимают или передают поток символов без какой-либо блочной структуры (принтеры, сетевые карты, мыши и т.д.).

Однако некоторые из устройств не попадают ни в одну из этих категорий, например, часы, мониторы и др. И все же модель блочных и символьных устройств является настолько общей, что может использоваться в качестве основы для достижения независимости от устройств некоторого программного обеспечения операционных систем, имеющего дело с вводом-выводом. Например, файловая система имеет дело с абстрактными блочными устройствами, а зависимую от устройств часть оставляет программному обеспечению низкого уровня.

Следует также отметить существенные различия между устройствами ввода-вывода, принадлежащими к разным классам, и в рамках каждого класса. Эти различия касаются следующих характеристик:

● скорость передачи данных (различия на несколько порядков);

● применение. Каждое действие, поддерживаемое устройством, оказывает влияние на программное обеспечение и стратегии операционной системы (например, диск, используемый для хранения файлов или для страниц виртуальной памяти, требует различного программного обеспечения);

● сложность управления. Для принтера требуется относительно простой интерфейс управления, для диска – намного сложнее. Влияния этих отличий на ОС сглаживается усложнением контроллеров ввода-вывода;

● единицы передачи данных. Данные могут передаваться блоками или потоками байтов или символов;

● представления данных. Различные устройства используют разные схемы кодирования данных, включая разную кодировку символов и контроль четности;

● условия ошибки. Природа ошибок, способ сообщения о них, их последствия и возможные ответы резко отличаются при переходе от одного устройства к другому.

Такое разнообразие внешних устройств приводит, по сути, к невозможности разработки единого и согласованного подхода к проблеме ввода-вывода как с точки зрения операционной системы, так и с точки зрения пользовательских процессов.

Устройства ввода-вывода, как правило, состоят из электромеханической и электронной части. Обычно их выполняют в форме отдельных модулей – собственно устройство и контроллер (адаптер). В ПК контроллер принимает форму платы, вставляемой в слот расширения. Плата имеет разъем, к которому подключается кабель, ведущий к самому устройству. Многие контроллеры способны управлять двумя, четырьмя и даже более идентичными устройствами. Интерфейс между контроллером и устройством является официальным стандартом (ANSI, IEEE или ISO) или фактическим стандартом, и различные компании могут выпускать отдельно котроллеры и устройства, удовлетворяющие данному интерфейсу. Так, многие компании производят диски, соответствующие интерфейсу IDE или SCSI, а наборы схем системной логики материнских плат реализуют IDE и SCSI-контроллеры.

Интерфейс между контроллером и устройством часто является интерфейсом очень низкого уровня, т.е. очень специфичным, зависящим от типа внешнего устройства. Например, видеоконтроллер считывает из памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы управления лучом электронной трубки, сигналы строчной и кадровой развертки и т.п.

Каждый контроллер взаимодействует с драйвером системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Для работы с драйвером контроллер имеет несколько регистров, кроме того, он может иметь буфер данных, из которого операционная система может читать данные, а также записывать данные в него. Каждому управляющему регистру назначается номер порта ввода-вывода. Используя регистры контроллера, ОС может узнать состояние устройства (например, готово ли оно к работе), а также выдавать команды управления устройством (принять или передать данные, включиться, выключиться и т.п.).