Методы распределения памяти с использованием дискового пространства

 

Уже достаточно давно пользователи столкнулись с проблемой размещения в памяти программ, размер которых превышал имеющуюся в наличии свободную память. Решением было разбиение программы на части, называемые оверлеями. 0-ой оверлей начинал выполняться первым. Когда он заканчивал свое выполнение, он вызывал другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами операционной системы. Однако разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память должен был осуществлять программист. Развитие методов организации вычислительного процесса в этом направлении привело к появлению метода, известного под названием виртуальная память. Виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает. Так, например, пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память, размер которой превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программы так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, но в действительности все данные, используемые программой, хранятся на одном или нескольких разнородных запоминающих устройствах, обычно на дисках, и при необходимости частями отображаются в реальную память.

Таким образом, виртуальная память - это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер которых превосходит имеющуюся оперативную память; для этого виртуальная память решает следующие задачи:

- размещает данные в запоминающих устройствах разного типа, например, часть программы в оперативной памяти, а часть на диске;

- перемещает по мере необходимости данные между запоминающими устройствами разного типа, например, подгружает нужную часть программы с диска в оперативную память;

- преобразует виртуальные адреса в физические.

 

Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.

Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.

Виртуализация памяти может быть осуществлена на основе двух различных подходов:

1. Свопинг (swapping) образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;

2. Виртуальная память (virtual memory) — между оперативной памятью и диском перемещаются части (сегменты, страницы и т. п.) образов процессов.

 

Необходим условием для выполнения задачи является загрузка ее в оперативную память, объем которой ограничен. В этих условиях был предложен метод организации вычислительного процесса, называемый свопингом.

 

В соответствии с этим методом некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск. Планировщик операционной системы не исключает их из своего рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс перемещается в оперативную память. Если свободного места в оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс.

При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между памятью и диском целиком, то есть в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти.

Существуют различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти загружаемому процессу.

Свопинг представляет собой частный случай виртуальной памяти и, следовательно более простой в реализации способ совместного использования оперативной памяти и диска. Однако подкачке свойственна избыточность: когда ОС решает активизировать процесс, для его выполнения, как правило, не требуется загружать в оперативную память все его сегменты полностью — достаточно загрузить небольшую часть кодового сегмента с подлежащей выполнению инструкцией и частью сегментов данных, с которыми работает эта инструкция, а также отвести место под сегмент стека. Аналогично при освобождении памяти для загрузки нового процесса очень часто вовсе не требуется выгружать другой процесс на диск целиком, достаточно вытеснить на диск только часть его образа. Перемещение избыточной информации замедляет работу системы, а также приводит к неэффективному использованию памяти. Кроме того, системы, поддерживающие свопинг, имеют еще один очень существенный недостаток: они не способны загрузить для выполнения процесс, виртуальное адресное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.

Именно из-за указанных недостатков свопинг как основной механизм управления памятью почти не используется в современных ОС (В некоторых современных ОС, например версиях UNIX, основанных на коде SVR4, механизм свопинга используется как дополнительный к виртуальной памяти, включающийся только при серьезных перегрузках системы). На смену ему пришел более совершенный механизм виртуальной памяти, который, как уже было сказано, заключается в том, что при нехватке места в оперативной памяти на диск выгружаются только части образов процессов.

 

Ключевой проблемой виртуальной памяти, возникающей в результате многократного изменения местоположения в оперативной памяти образов процессов или их частей, является преобразование виртуальных адресов в физические. Решение этой проблемы, в свою очередь, зависит от того, какой способ структуризации виртуального адресного пространства принят в данной системе управления памятью. В настоящее время все множество реализаций виртуальной, памяти может быть представлено тремя классами.

- страничная виртуальная память организует перемещение данных между памятью и диском страницами — частями виртуального адресного пространства, фиксированного и сравнительно небольшого размера.

- сегментная виртуальная память предусматривает перемещение данных сегментами — частями виртуального адресного пространства произвольного гщ-мера, полученными с учетом смыслового значения данных.

- сегментно-страничная виртуальная память использует двухуровневое деление: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегменты делятся на страницы. Единицей перемещения данных здесь является страница. Этот способ управления памятью объединяет в себе элементы обоих предыдущих подходов.

Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится либо специальная область, либо специальный файл, которые во многих ОС по традиции продолжают называть областью, или файлом свопинга, хотя перемещение информации между оперативной памятью и диском осуществляется уже не в форме полного замещения одного процесса другим, а частями. Другое популярное название этой области — страничный файл (page file, или paging file).

 

Обслуживание прерываний

Концепция прерывания

Реализация мультипрограммного режима работы вычислительных систем возможна только на применении концепции прерываний, которая состоит в том, что любой процесс, обслуживаемый операционной системой, может быть прерван процессом, имеющим более высокий приоритет.

Прерывание - временное прекращение процесса, такого как выполнение программы вычислительной машины, вызванное событием, внешним по отношению к этому процессу, и совершенное таким образом, что процесс может быть продолжен (СТ ИСО 2382/10-79).

Приведенное определение исчерпывающе характеризует суть понятия прерывания, оставляя за рамками рассмотрения физическую природу аппаратного средства, где возникает это прерывание. Существует другое определение, в котором конкретизируется устройство, в котором происходит прерывание [1,2]:

Прерывание - операция процессора, состоящее в регистрации состояния процессора, предшествующего прерыванию, и установлении нового состояния.

В вычислительной машине прерывание - это событие, при котором меняется нормальная последовательность команд, выполняемых процессором. Сигнал “прерывание” сначала отрабатывается аппаратурой вычислительной машины - системой прерываний. Если произошло прерывание, то в вычислительной системе выполняются последовательно следующие действия:

· управление передается операционной системе;

· операционная система запоминает состояние прерванного процесса;

· операционная система анализирует тип прерывания и передает управление соответствующей программе обработки этого прерывания;

· программа обработки прерывания выполняет предписанные действия и передает управление операционной системе;

· операционная система по результатам работы программы обработки прерываний либо восстанавливает состояние прерванного процесса и позволяет развиваться ему дальше, либо аварийно заканчивает его.

Следует иметь в виду, что инициатором прерывания может быть также и выполняющийся процесс.

Количество источников сигналов прерывания достигает в современных вычислительных системах нескольких сотен и даже тысяч. Все возможные в системе прерывания можно классифицировать по месту (причине) их возникновения. Различают шесть основных классов прерываний: прерывания от схем контроля ЭВМ; прерывания по рестарту (повторному пуску); прерывания ввода/вывода; внешние прерывания; прерывания по вызову супервизора; программные прерывания.

Прерывание от схем контроля возникает в случае появления любой аппаратной ошибки в ЭВМ. Продолжение работы машины становится невозможным, и процесс аварийно заканчивает свое существование.

Прерывание по рестарту может наступить в следующих случаях: на пульте управления была нажата кнопка (клавиша, сочетание клавиш) повторного пуска ЭВМ; процесс, выполняющий в данной ЭВМ, выдал команду рестарта; в многомашинной системе получена команда рестарта от другого компьютера. В любом случае в ЭВМ, получившей команду рестарта, выполняются действия по загрузке операционной системы.

Прерывания ввода/вывода инициируются аппаратурой, обеспечивающей операции ввода и вывода данных. Они сигнализируют центральному процессору об изменении состояния устройств ввода/вывода.

Обслуживание ввода-вывода

Система ввода-вывода

В состав любой операционной системы входят программные модули, обеспечивающие управление устройствами ввода-вывода ЭВМ. Эти программные модули называют драйверами устройств, а совокупность драйверов ввода-вывода образует систему ввода-вывода, входящую в состав операционной системы.

Драйвер устройства (Device driver) - программа, обеспечивающая взаимодействие операционной системы с физическим устройством.

Система ввода-вывода (Input-Output System) - часть операционной системы, обеспечивающая управление внешними устройствами, подключенными к ЭВМ.

Основной задачей системы ввода-вывода является обеспечение непрерывной организации (планирования, управления) и двусторонней передачи данных между основной памятью и внешними устройствами с целью достижения максимального перекрытия во времени работы этой аппаратуры и процессора.

Состав систем ввода-вывода и, следовательно, перечень драйверов устройств в различных операционных системах не совпадают, что объясняется имеющимися отличиями в аппаратуре ввода-вывода, а также множеством методов, используемых для управления этой аппаратурой. Вместе с тем в большинстве операционных систем существует некоторое ядро системы ввода-вывода, получившее название базовой системы ввода-вывода.

Базовая система ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System) - часть программного обеспечения ЭВМ, поддерживающая управление адаптерами внешних устройств и представляющая стандартный интерфейс для обеспечения переносимости операционных систем между ЭВМ с одинаковым процессором. Базовая система ввода-вывода, как правило, разрабатывается изготовителем ЭВМ, хранится в постоянном запоминающем устройстве и рассматривается как часть ЭВМ.

При построении систем ввода-вывода аппаратура ввода-вывода рассматривается как совокупность аппаратурных процессоров, которые способны работать параллельно и независимо друг от друга, а также относительно центрального процессора. На таких процессорах развиваются так называемые внешние процессы.

Внешние процессы, используя аппаратуру ввода-вывода, могут взаимодействовать как между собой, так и с внутренними процессами, которые развиваются на центральном процессоре. Важным фактом является то, что скорости развития внешних и внутренних процессов существенно различаются, причем эти различия могут достигать нескольких порядков.

Система управления вводом-выводом представляет собой один или несколько системных процессов (т.е. процессов, принадлежащих операционной системе), обеспечивающих информационное и управляющее взаимодействие внутренних и внешних процессов. Через эту систему происходит инициализация, управление развитием и уничтожение внешних процессов.

С точки зрения внутренних (программных) процессов-пользователей система управления вводом-выводом представляет собой программный интерфейс с необходимыми для этих процессов внешними устройствами. В составе этого интерфейса пользователь имеет возможность выражать запросы на выполнение действий в отношении внешних устройств. При этом различают три типа действий: операции чтения и записи данных, операции управления устройством, операции по проверке состояния устройств. При построении систем управления вводом-выводом руководствуются стремлением сделать большинство ее компонентов «невидимыми» для пользователей, что достигается созданием развитых драйверов внешних устройств с понятным интерфейсом и доступными из любой системы программирования.

Для сглаживания эффекта несоответствия скоростей между внутренними и внешними процессами в системах управления вводом-выводом применяют три основных метода: синхронизация по прерываниям ввода-вывода; буферизация ввода-вывода; блокирование данных.

Для синхронизации параллельной работы могут применяться различные методы, среди которых наиболее совершенными являются средства, основанные на использовании системы прерывания. Канал ввода-вывода через систему прерываний прерывает работу центрального процессора всякий раз при завершении операции ввода-вывода или при возникновении ошибки. Такие сигналы прерывания являются по своему смыслу синхронизирующими, т.к. они используются для оповещения определенного внутреннего процесса о событии, которое произошло при работе канала ввода-вывода или внешнего устройства. После возникновения прерывания и определения его причины управление передается на программную систему, которую называют супервизором ввода-вывода.

Супервизор ввода-вывода - часть системы управления вводом-выводом, предназначенный для планирования и организации процессов ввода-вывода.

Буферизация ввода-вывода основана на размещении между внешним и внутренним процессами одного или нескольких буферов, роль которых выполняют, как правило, непрерывные области первичной памяти.

Буфер является критическим ресурсом для связанных с ним внутренних и внешних процессов. Введение буферов как средства информационного взаимодействия выдвинуло задачу управления буферами, которая решается средствами супервизора ввода-вывода. На супервизор ввода-вывода возлагаются функции по выделению и уничтожению буферов в первичной памяти, синхронизации обращения к буферам внутренних и внешних процессов, устранения одновременного обращения к буферу этих процессов и т.п.

При решении задачи буферизации важным является определение количества буферов, закрепляемых за отдельным каналом или устройством, а также размер области первичной памяти, отводимой под каждый буфер.