Распределение памяти между задачами

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Распределение памяти между задачами

Cтраница 1

Программа с нелокальными операторами GO TO.  [1]

Задача распределения памяти может быть решена с использованием средств операционной системы. Как мы увидим при обсуждении системы MULTICS, существенную роль при распределении памяти играет механизм сегментации.  [2]

Задача распределения памяти усложняется при использовании вычислительных систем, в которых сохраняется автономность отдельных ЭВМ. С этой целью используется специальное коммутирующее устройство, обеспечивающее обслуживание некоторых машин несколькими ОЗУ и позволяющее некоторым ОЗУ обслуживать несколько машин.  [3]

Примеры постоянного ( а и динамического ( б распределения.  [4]

Задача распределения памяти состоит в установлении соответствия между массивами информации и массивами ячеек памяти ЦВМ.  [5]

Поэтомузадачу распределения памяти отделяют от задачи составления программы в командах машины с помощью символических и условных адресов.  [6]

Следовательно, задачу распределения памяти по сети следует решать адаптивным способом.  [7]

В настоящее времязадача распределения памяти для размещения программ ( или их частей) в мультипрограммном режиме решается за счет работы специальной управляющей программы, которая хранится в вычислительной системе и обеспечивает тот или иной режим работы ЦВС. Пользователи-программисты не могут вносить изменения в эту программу.  [8]

Мы видим тем самым, чтозадача экономного распределения памяти не может быть поставлена в такой, можно сказать, наивной формулировке: натолкать как можно больше исходных величин программы в одну ячейку. Пример 9 подсказывает, что единицей распределения памяти является не вся область действия исходной величины, а отдельные связки информационных связей, осуществляемых через нее.  [9]

Стандартным приемом, позволяющим упростить решениезадачи распределения памяти или, по крайней мере, отвлечься от технических трудностей на начальном этапе программирования, является использование условных или символических обозначений адресов ячеек памяти. Истинные адреса ячеек записываются обычно в восьмеричном коде. При символической адресации программист отвлекается от истинных адресов ячеек и использует их буквенно-числовые обозначения.  [10]

Кроме того, метод интерпретации упрощаетзадачу распределения памяти, хотя и требует большого дополнительного расхода памяти для хранения самой интерпретирующей программы. При методе компиляции более экономно расходуются ячейки оперативной памяти, так как компилирующая программа в ней во время решения задачи не присутствует.  [11]

Составление программ и их дальнейшее использование значительно упрощаются, еслизадачу распределения памяти отделить от задачи составления программы в смысле написания необходимой последовательности команд. Такое разделение труда достигается за счет составления программы в символических или условных адресах.  [12]

Чтобы избежать необходимости повторного ассемблирования всех подпрограмм при внесении изменения в одну из них, а также для того, чтобы освободить программиста отзадач распределения памяти и осуществления связи подпрограмм, были разработаны так называемые настраивающие загрузчики. Ассемблер транслирует каждый программный сегмент независимо и передает загрузчику текст и информацию, касающуюся перемещений и перекрестных ссылок между сегментами.  [13]

Под организацией памяти понимаются связи между ЗУ различных типов и установление порядка обмена информацией между ними. Задача распределения памяти состоит в установлении соответствия между массивами информации и массивами ячеек памяти ЭВМ, при котором достигается максимальная при данных условиях производительность машины.  [14]

Объем памяти каждого уровня и в каждом процессоре ограничен. Задача распределения памяти для информационных массивов в такой формулировке может быть записана как задача булева программирования.

От, задач, рассмотренных в предыдущих параграфах данной главы, она отличается тем, что, с одной стороны, не рассматриваются времена решения, влияние приоритетов, ограничения на программные массивы, но, с другой стороны, рассматривается несколько одновременно работающих процессоров, создающих очереди запросов у различных промежуточных носителей и, кроме того, допускается, что один и тот же информационный массив может быть размещен на нескольких устройствах памяти.  [15]

Страницы:      1    2

Источник: http://www.ngpedia.ru/id24802p1.html

Задачи управления памятью. Распределение памяти

Главная задача любой ВС – выполнять программы. Чтобы процессор мог выполнять программу, ее коды и данные, с которыми программа работает, должны (по крайней мере, частично) находиться в оперативной (главной, основной) памяти ЭВМ. В реальной ВС используется не одно запоминающее устройство, а целый ряд устройств, обладающих различными характеристиками.

В процессе функционирования ВС все эти устройства должны взаимодействовать между собой и ЦП. Взаимодействие осуществляется под управлением ОС. Кроме того, ОС необходимо решать задачи распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС.

Для идентификации элементов программы (переменных, команд) используются адреса. Причем на различных этапах жизненного цикла программы эти адреса оказываются разными.На этапе трансляции программы неизвестно, в какое место ОЗУ будет загружена программа, поэтому транслятор присваивает переменным и машинным командам условные (виртуальные, логические) адреса.

Т. е. программа помещается в некоторое виртуальное адресное пространство. Начальным адресом программы при этом обычно назначается нулевой адрес.

Со времен ЭВМ фон – Неймана основная память в компьютере организована как линейное (одномерное) адресное пространство, состоящее из последовательности машинных слов (позднее − байтов).

Что касается виртуального адресного пространства, то способы его представления могут быть различными.

В одних ОС виртуальное адресное пространство подобно физической памяти и представляется в виде непрерывной линейной последовательности виртуальных адресов. Такую структуру адресов называют плоской (flat).

В большинстве современных ОС виртуальное адресное пространство структурировано. Т. е. оно делится на части, называемые сегментами, при этом виртуальный адрес представляется парой чисел (n, m), где n – номер сегмента, а m – смещение ячейки внутри сегмента.

Поскольку однозначного соответствия между виртуальной и физической памятью не существует, то важнейшей задачей ОС в сфере управления памятью является преобразование виртуальных адресов (структурированных) в физические (линейные).

Кроме того, ОС должна вести учет свободной и занятой памяти, выделять память запускаемым процессам, освобождать память после завершения процессов, обеспечивать защиту памяти процесса от вмешательства других процессов, производить дефрагментацию памяти.

Решение задач отображения виртуальных адресов на общую физическую память ВС может быть выполнено двумя способами.

Первый способ (статическое преобразование) предусматривает однократное преобразование виртуальных адресов в физические во время начальной загрузки программы в память. Такое преобразование осуществляет перемещающий загрузчик. Загрузчик функционирует на основании информации о начальном адресе физической памяти и информации об адресно-зависимых элементах программы.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизменном виде (в виртуальных адресах). Далее при каждом обращении к памяти ОС преобразует виртуальные адреса программы в физические. Причем вид преобразования зависит от того, в какой участок ОП загружена программа.

Динамическое преобразование адресов позволяет перемещать программу в течение всего периода выполнения программы.

Существующие алгоритмы распределения памяти разделяют на два основных класса:

1. Алгоритмы, не использующие для решения задач распределения памяти HDD.

2. Алгоритмы, в которых используется перемещение отдельных сегментов процессов между ОП и HDD.

К алгоритмам первого класса относятся алгоритмы, предусматривающие распределение памяти фиксированными разделами, распределение памяти динамическими разделами и распределение памяти перемещаемыми разделами.

К алгоритмам второго класса относятся алгоритмы, предусматривающие размещение части кодов программ в оперативной памяти (активный процесс), а части кодов – на жестком диске (приостановленные процессы).

При функционировании ВС осуществляется выбор процессов для исполнения и перемещения их с HDDв ОП и обратно. Совокупность операций по загрузке процессов в ОП и выгрузке их на HDD получила название свопинга (swapping).

Процедура свопинга предусматривает перемещение в ОП и на HDDпроцессов целиком, что приводит к избыточности этих операций. Для активизации процесса, как правило, не требуется загружать его в ОП целиком, достаточно загрузить его небольшую часть, подлежащую немедленному исполнению.

Аналогично и при освобождении ОП можно не выгружать приостановленный процесс на HDD целиком, достаточно вытеснить на диск небольшую его часть.

Перемещение избыточной информации замедляет работу ОС. Кроме того, в этом случае возможна попытка загрузки для выполнения процесса, виртуальное адресное пространство которого превышает объем свободной ОП. Устранение указанных недостатков достигается при использовании страничного распределения памяти, сегментного распределения памяти и сегментно-страничного распределения памяти.

Вопросы для самопроверки по теме 4.1

1. Какие основные задачи решает ОС в процессе управления памятью?

2. Какие алгоритмы распределения памяти используются в ОС?

3. В чем заключается отличие метода распределения памяти с фиксированными разделами от метода распределения памяти динамическими разделами?

4. Чем отличается загрузка процессов при свопинге от загрузки процессов при страничной организации памяти?

5. Почему свопинг как основной механизм управления памятью практически не используется в современных ОС?

Источник: https://cyberpedia.su/12x81fa.html

Управление памятью. Методы, алгоритмы и средства

Под памятью (memory) в данном случае подразумевается оперативная (основная) память компьютера. В однопрограммных операционных системах основная память разделяется на две части.

Одна часть для операционной системы (резидентный монитор, ядро), а вторая – для выполняющейся в текущий момент времени программы.

В многопрограммных ОС “пользовательская” часть памяти – важнейший ресурс вычислительной системы – должна быть распределена для размещения нескольких процессов, в том числе процессов ОС.

Эта задача распределения выполняется операционной системой динамически специальной подсистемой управления памятью (memory management). Эффективное управление памятью жизненно важно для многозадачных систем. Если в памяти будет находиться небольшое число процессов, то значительную часть времени процессы будут находиться в состоянии ожидания ввода-вывода и загрузка процессора будет низкой.

В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в ОЗУ. При этом память разделялась между программой и ОС. На рис. 6.

3 показаны три варианта такой схемы. Первая модель раньше применялась на мэйнфреймах и мини-компьютерах.

Вторая схема сейчас используется на некоторых карманных компьютерах и встроенных системах, третья модель была характерна для ранних персональных компьютеров с MS-DOS.

Рис. 6.3. Варианты распределения памяти

С появлением мультипрограммирования задачи ОС, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами, существенно усложнились.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммных системах являются:

  • отслеживание (учет) свободной и занятой памяти;
  • первоначальное и динамическое выделение памяти процессам приложений и самой операционной системе и освобождение памяти по завершении процессов;
  • настройка адресов программы на конкретную область физической памяти;
  • полное или частичное вытеснение кодов и данных процессов из ОП на диск, когда размеры ОП недостаточны для размещения всех процессов, и возвращение их в ОП;
  • защита памяти, выделенной процессу, от возможных вмешательств со стороны других процессов;
  • дефрагментация памяти.

Перечисленные функции особого пояснения не требуют, остановимся только на задаче преобразования адресов программы при ее загрузке в ОП.

Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются символьные имена, виртуальные (математические, условные, логические – все это синонимы) и физические адреса (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Типы адресов

Символьные имена присваивает пользователь при написании программ на алгоритмическом языке или ассемблере. Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык.

Поскольку во время трансляции неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой адрес.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности будут расположены переменные и команды.

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Диапазон адресов виртуального пространства у всех процессов один и тот же и определяется разрядностью адреса процессора (для Pentium адресное пространство составляет объем, равный 232 байт, с диапазоном адресов от 0000.000016 до FFFF.FFFF16).

Существует два принципиально отличающихся подхода к преобразованию виртуальных адресов в физические. В первом случае такое преобразование выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память.

Преобразование осуществляет перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, а также информации, предоставляемой транслятором об адресно-зависимых элементах программы.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в виртуальных адресах. Во время выполнения программы при каждом обращении к памяти операционная система преобразует виртуальные адреса в физические.

Существует ряд базовых вопросов управления памятью, которые в различных ОС решаются по-разному.

Например, следует ли назначать каждому процессу одну непрерывную область физической памяти или можно выделять память участками? Должны ли сегменты программы, загруженные в память, находиться на одном месте в течение всего периода выполнения процесса или их можно время от времени сдвигать? Что делать, если сегменты программы не помещаются в имеющуюся память? Как сократить затраты ресурсов системы на управление памятью? Имеется и ряд других не менее интересных проблем управления памятью [5, 10, 13, 17].

Ниже приводится классификация методов распределения памяти, в которой выделено два класса методов – с перемещением сегментов процессов между ОП и ВП (диском) и без перемещения, т.е. без привлечения внешней памяти (рис. 6.5). Данная классификация учитывает только основные признаки методов. Для каждого метода может быть использовано несколько различных алгоритмов его реализации.

Рис. 6.5. Классификация методов распределения памяти

Читайте также:  Измеритель емкости с точностью до пикофарада на базе cmos инверторов

На рис. 6.6 показаны два примера фиксированного распределения. Одна возможность состоит в использовании разделов одинакового размера.

В этом случае любой процесс, размер которого не превышает размера раздела, может быть загружен в любой доступный раздел.

Если все разделы заняты и нет ни одного процесса в состоянии готовности или работы, ОС может выгрузить процесс из любого раздела и загрузить другой процесс, обеспечивая тем самым процессор работой.

Рис. 6.6. Варианты фиксированного распределения памяти

При использовании разделов с одинаковым размером имеются две проблемы.

  1. Программа может быть слишком велика для размещения в разделе. В этом случае программист должен разрабатывать программу, использующую оверлеи, чтобы в любой момент времени требовался только один раздел памяти. Когда требуется модуль, отсутствующий в данный момент в ОП, пользовательская программа должна сама его загрузить в раздел памяти программы. Таким образом, в данном случае управление памятью во многом возлагается на программиста.
  2. Использование ОП крайне неэффективно. Любая программа, независимо от ее размера, занимает раздел целиком. При этом могут оставаться неиспользованные участки памяти большого размера. Этот феномен появления неиспользованной памяти называется внутренней фрагментацией (internal fragmentation).

Бороться с этими трудностями (хотя и не устранить полностью) можно посредством использования разделов разных размеров. В этом случае программа размером до 8 Мбайт может обойтись без оверлеев, а разделы малого размера позволяют уменьшить внутреннюю фрагментацию при загрузке небольших программ.

В том случае, когда разделы имеют одинаковый раздел, размещение процессов тривиально – в любой свободный раздел. Если все разделы заняты процессами, которые не готовы к немедленной работе, любой из них может быть выгружен для освобождения памяти для нового процесса.

Когда разделы имеют разные размеры, есть два возможных подхода к назначению процессов разделам памяти. Простейший путь состоит в том, чтобы каждый процесс размещался в наименьшем разделе, способном вместить данный процесс (в этом случае в задании пользователя указывался размер требуемой памяти).

При таком подходе для каждого раздела требуется очередь планировщика, в которой хранятся выгруженные из памяти процессы, предназначенные для данного раздела памяти. Достоинство такого способа в возможности распределения процессов между разделами ОП так, чтобы минимизировать внутреннюю фрагментацию.

Недостаток заключается в том, что отдельные очереди для разделов могут привести к неоптимальному распределению памяти системы в целом.

Например, если в некоторый момент времени нет ни одного процесса размером от 7 до 12 Мбайт, то раздел размером 12 Мбайт будет пустовать, в то время как он мог бы использоваться меньшими процессами.

Поэтому более предпочтительным является использование одной очереди для всех процессов. В момент, когда требуется загрузить процесс в ОП, выбирается наименьший доступный раздел, способный вместить данный процесс.

В целом можно отметить, что схемы с фиксированными разделами относительно просты, предъявляют минимальные требования к операционной системе; накладные расходы работы процессора на распределение памяти невелики. Однако у этих схем имеются серьезные недостатки.

  1. Количество разделов, определенное в момент генерации системы, ограничивает количество активных процессов (т.е. уровень мультипрограммирования).
  2. Поскольку размеры разделов устанавливаются заранее во время генерации системы, небольшие задания приводят к неэффективному использованию памяти. В средах, где заранее известны потребности в памяти всех задач, применение рассмотренной схемы может быть оправдано, но в большинстве случаев эффективность этой технологии крайне низка.

Для преодоления сложностей, связанных с фиксированным распределением, был разработан альтернативный подход, известный как динамическое распределение.

В свое время этот подход был применен фирмой IBM в операционной системе для мэйнфреймов в OS/MVT (мультипрограммирование с переменным числом задач – Multiprogramming With a Variable number of Tasks).

Позже этот же подход к распределению памяти использован в ОС ЕС ЭВМ [12] .

При динамическом распределении образуется перемененное количество разделов переменной длины. При размещении процесса в основной памяти для него выделяется строго необходимое количество памяти. В качестве примера рассмотрим использование 64 Мбайт (рис. 6.

7) основной памяти. Изначально вся память пуста, за исключением области, задействованной ОС. Первые три процесса загружаются в память, начиная с адреса, где заканчивается ОС, и используют столько памяти, сколько требуется данному процессу.

После этого в конце ОП остается свободный участок памяти, слишком малый для размещения четвертого процесса.

В некоторый момент времени все процессы в памяти оказываются неактивными, и операционная система выгружает второй процесс, после чего остается достаточно памяти для загрузки нового, четвертого процесса.

Рис. 6.7. Вариант использования памяти

Поскольку процесс 4 меньше процесса 2, появляется еще свободный участок памяти. После того как в некоторый момент времени все процессы оказались неактивными, но стал готовым к работе процесс 2, свободного места в памяти для него не находится, а ОС вынуждена выгрузить процесс 1, чтобы освободить необходимое место и разместить процесс 2 в ОП.

Как показывает данный пример, этот метод хорошо начинает работу, но плохо продолжает. В конечном счете, он приводит к наличию множества мелких свободных участков памяти, в которых нет возможности разместить какой-либо новый процесс.

Это явление называется внешней фрагментацией (external fragmentation), что отражает тот факт, что сильно фрагментированной становится память, внешняя по отношению ко всем разделам.

Один из методов преодоления внешней фрагментации – уплотнение (compaction) процессов в ОП. Осуществляется это перемещением всех занятых участков так, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область.

В дополнение к функциям, которые ОС выполняет при распределении памяти динамическими разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей.

Эта процедура называется уплотнением или сжатием.

Перечислим функции операционной системы по управлению памятью в этом случае.

  1. Перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов при каждом завершении процесса или для вновь создаваемого процесса в случае отсутствия раздела достаточного размера.
  2. Коррекция таблиц свободных и занятых областей.
  3. Изменение адресов команд и данных, к которым обращаются процессы при их перемещении в памяти, за счет использования относительной адресации.
  4. Аппаратная поддержка процесса динамического преобразования относительных адресов в абсолютные адреса основной памяти.
  5. Защита памяти, выделяемой процессу, от взаимного влияния других процессов.

Уплотнение может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором – реже выполняется процедура сжатия.

Так как программа перемещается по оперативной памяти в ходе своего выполнения, в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью перемещающего загрузчика.

Здесь более подходящим оказывается динамическое преобразование адресов.

Достоинствами распределения памяти перемещаемыми разделами являются эффективное использование оперативной памяти, исключение внутренней и внешней фрагментации, недостатком – дополнительные накладные расходы ОС.

При использовании фиксированной схемы распределения процесс всегда будет назначаться одному и тому же разделу памяти после его выгрузки и последующей загрузке в память. Это позволяет применять простейший загрузчик, который замещает при загрузке процесса все относительные ссылки абсолютными адресами памяти, определенными на основе базового адреса загруженного процесса.

Ситуация усложняется, если размеры разделов равны (или неравны) и существует единая очередь процессов, – процесс по ходу работы может занимать разные разделы. Такая же ситуация возможна и при динамическом распределении.

В этих случаях расположение команд и данных, к которым обращается процесс, не является фиксированным и изменяется всякий раз при выгрузке, загрузке или перемещении процесса. Для решения этой проблемы в программах используются относительные адреса. Это означает, что все ссылки на память в загружаемом процессе даются относительно начала этой программы.

Таким образом, для корректной работы программы требуется аппаратный механизм, который бы транслировал относительные адреса в физические в процессе выполнения команды, обращающейся к памяти.

Применяемый обычно способ трансляции показан на рис. 6.8. Когда процесс переходит в состояние выполнения, в специальный регистр процесса, называемый базовым, загружается начальный адрес процесса в основной памяти.

Кроме того, используется “граничный” (bounds) регистр, в котором содержится адрес последней ячейки программы. Эти значения заносятся в регистры при загрузке программы в основную память. При выполнении процесса относительные адреса в командах обрабатываются процессором в два этапа.

Сначала к относительному адресу прибавляется значение базового регистра для получения абсолютного адреса. Затем полученный абсолютный адрес сравнивается со значением в граничном регистре. Если полученный абсолютный адрес принадлежит данному процессу, команда может быть выполнена.

В противном случае генерируется соответствующее данной ошибке прерывание.

Рис. 6.8. Преобразование адресов

Источник: http://www.intuit.ru/studies/courses/631/487/lecture/11057?page=2

Виртуальная память, распределение памяти

В данной статье, мы поговорим на такие темы, как виртуальная память, и рассмотрим основные методы распределения виртуальной памяти в операционных системах.

Все методы распределения памяти могут быть разделены на два класса: методы, которые используют перемещение процессов между оперативной памятью и диском, и методы, которые не делают этого, т.е. методы без использования внешней памяти.

Классификация методов распределения памяти представлена на следующем рисунке:

Распределение памяти фиксированными разделами

Самым простым способом управления оперативной памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной величины. Это может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее генерации. Очередная задача, поступившая на выполнение, помещается либо в общую очередь, либо в очередь к некоторому разделу:

Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

  1. сравнивая размер программы, поступившей на выполнение, и свободных разделов, выбирает подходящий раздел.
  2. осуществляет загрузку программы и настройку адресов.

При очевидном преимуществе — простоте реализации — данный метод имеет существенный недостаток. Так как в каждом разделе может выполняться только одна программа, то уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов не зависимо от того, какой размер имеют программы.

Даже если программа имеет небольшой объем, она будет занимать весь раздел, что приводит к неэффективному использованию памяти.

С другой стороны, даже если объем оперативной памяти машины позволяет выполнить некоторую программу, разбиение памяти на разделы не позволяет сделать этого.

Распределение памяти разделами переменной величины

В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память свободна. Каждой вновь поступающей задаче выделяется необходимая ей память. Если достаточный объем памяти отсутствует, то задача не принимается на выполнение и стоит в очереди.

После завершения задачи память освобождается, и на это место может быть загружена другая задача. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера.

На рисунке ниже показано состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения. Так в момент t0 в памяти находится только ОС, а к моменту t1 память разделена между 5 задачами, причем задача П4, завершаясь, покидает память.

На освободившееся после задачи П4 место загружается задача П6, поступившая в момент t3.

Задачами операционной системы при реализации данного метода управления памятьюявляется:

  • ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.
  • при поступлении новой задачи — анализ запроса, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения поступившей задачи.
  • загрузка задачи в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей.
  • после завершения задачи корректировка таблиц свободных и занятых областей.
Читайте также:  Светомузыкальная установка "светлана"

Программный код не перемещается во время выполнения, то есть может быть проведена единовременная настройка адресов посредством использования перемещающего загрузчика.

Выбор раздела для вновь поступившей задачи может осуществляться по разным правилам, таким, например, как «первый попавшийся раздел достаточного размера», или «раздел, имеющий наименьший достаточный размер», или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер». Все эти правила имеют свои преимущества и недостатки.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток — фрагментация памяти.

Фрагментация — это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов).

Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Перемещаемые разделы

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область.

В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется «сжатием».

Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором — реже выполняется процедура сжатия.

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом.

Распределение памяти перемещаемыми разделами иллюстрирует следующий рисунок:

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.

Распределение виртуальной памяти

Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг. На следующем рисунке показана схема страничного распределения памяти.

Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью.

Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками).

Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки: 512, 1024 и т.д., это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные — на диск. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах.

При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру — таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск. Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти.

При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса.

При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический.

Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых.

Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память.

Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.

В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них следующие:

  • дольше всего не использовавшаяся страница.
  • первая попавшаяся страница.
  • страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений.

При страничной организации виртуальное адресное пространство процесса делится механически на равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свойство часто бывает очень полезным.

Например, можно запретить обращаться с операциями записи и чтения в кодовый сегмент программы, а для сегмента данных разрешить только чтение.

Кроме того, разбиение программы на «осмысленные» части делает принципиально возможным разделение одного сегмента несколькими процессами.

Например, если два процесса используют одну и ту же математическую подпрограмму, то в оперативную память может быть загружена только одна копия этой подпрограммы.

Сегментное распределение памяти представлено на следующем рисунке:

Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда сегментация программы выполняется по умолчанию компилятором.

При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти.

Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки.

Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре.

Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.

Виртуальный адрес при сегментной организации памяти может быть представлен парой (n, m), где n определяет сегмент, а m – смещение внутри сегмента Физический адрес получается путем сложения начального физического адреса сегмента, найденного в таблице сегментов по номеру n, и смещения m.

Недостатком данного метода распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное по сравнению со страничной организацией преобразование адреса.

Странично-сегментное распределение

Данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памяти и, вследствие этого, сочетает в себе достоинства обоих подходов. Виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента.

Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется операционной системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть на диске.

Для каждого сегмента создается своя таблица страниц, структура которой полностью совпадает со структурой таблицы страниц, используемой при страничном распределении. Для каждого процесса создается таблица сегментов, в которой указываются адреса таблиц страниц для всех сегментов данного процесса.

Адрес таблицы сегментов загружается в специальный регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс. На следующем рисунке показана схема преобразования виртуального адреса в физический для данного метода:

Свопинг

Разновидностью виртуальной памяти является свопинг. Необходимым 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.

Источник: http://more-it.ru/virtualnaya-pamyat-raspredelenie-pamyati/

Механизм разделения центральной памяти. Распределение памяти с разделами фиксированного размера. Распределение памяти с разделами переменного размера. Проблема фрагментации памяти и ее решение

Методы распределения оперативной памяти разделены на два класса: методы, в которых используется перемещение сегментов процессов между оперативной памятью и диском, и методы, в которых внешняя память не привлекается

Распределение памяти фиксированными разделами

Очередной новый процесс, поступивший на выполнение, помещается либо в общую очередь (рис. 2.11, а), либо в очередь к некоторому разделу (рис. 2.11, 6).

Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

  • Сравнивает объем памяти, требуемый для вновь поступившего процесса, с размерами свободных разделов и выбирает подходящий раздел;
  • Осуществляет загрузку программы в один из разделов и настройку адресов.

Распределение памяти динамическими разделами

В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память, отводимая для приложений, свободна.

Каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается).

После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера. На рис. 2.

12 показано состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения. Так, в момент t0 в памяти находится только ОС, а к моменту t1 память разделена между 5 процессами, причем процесс П4, завершаясь, покидает память. На освободившееся от процесса П4 место загружается процесс П6, поступивший в момент t3.

Функции операционной системы, предназначенные для реализации данного метода управления памятью, перечислены ниже.

  • Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.
  • При создании нового процесса — анализ требований к памяти, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения кодов и данных нового процесса. Выбор раздела может осуществляться по разным правилам, например: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер» или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».
  • Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, а значит, настройка адресов может быть проведена единовременно во время загрузки.
  • После завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток — фрагментация памяти.

Фрагментация — это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов).

Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Проблема фрагментации памяти и способы ее разрешения.

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вcя свободная память образовала единую свободную область.

В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти динамическими разделами в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием.

Читайте также:  Подключение графического жк-дисплея 128х64 ks0108 к at89c52

Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера.

В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором — реже выполняется процедура сжатия.

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью перемещающего загрузчика. Здесь более подходящим оказывается динамическое преобразование адресов.

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.



Источник: https://infopedia.su/17xb6cc.html

Методы распределения памяти без использования внешней памяти

§ Схема с фиксированными разделами.

Самым простым способом управления оперативной памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной величины. Это может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее генерации. Очередная задача, поступившая на выполнение, помещается либо в общую очередь (рис. 20,а), либо в очередь к некоторому разделу (рис 20,б).

Рис 20. Схема с фиксированными разделами: (a) с общей очередью процессов,

(b) с отдельными очередями процессов.

Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

· сравнивает размер программы, поступившей на выполнение, и свободных разделов, выбирает подходящий раздел,

· осуществляет загрузку программы и настройку адресов.

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

Подсистема управления памятью сравнивает размер программы, поступившей на выполнение, выбирает подходящий раздел, осуществляет загрузку программы и настройку адресов. В какой раздел помещать программу? Распространены две стратегии:

· Стратегия первого подходящего (First fit). Задание помещается в первый подходящий по размеру раздел.

· Стратегия наиболее подходящего (Best fit). Задание помещается в тот раздел, где ему наиболее тесно.

· Стратегия наименее подходящего (Worst fit). При помещении в самый большой раздел в нем остается достаточно места для возможного размещения еще одного процесса.

Моделирование показало, что с точки зрения использования памяти эти способы примерно одинаковы, но первый способ быстрее. Заметим, что перечисленные стратегии широко применяются и другими компонентами ОС, например, для размещения файлов на диске.

Связывание (настройка) адресов для данной схемы возможны как на этапе компиляции, так и на этапе загрузки.

Недостатки этой схемы:

· число одновременно выполняемых процессов ограничено числом разделов,

· предлагаемая схема сильно страдает от внешней фрагментации потери памяти, не используемой ни одним процессом.

Фрагментация – это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов).

Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Фрагментация возникает потому, что процесс не полностью занимает выделенный ему раздел или вследствие не использования некоторых разделов, которые слишком малы для выполняемых пользовательских программ.

§ 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 (рис. 21).

Основная идея ¾ держать в памяти только те инструкции программы, которые нужны в данный момент времени. Потребность в таком способе загрузки появляется, если логическое адресное пространство системы мало, например 1 мегабайт (MS-DOS) или даже всего 64 килобайта (PDP-11), а программа относительно велика.

Рис. 21. 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 конструирования оверлеев необходимы специальные алгоритмы перемещения и связывания. 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

Например, для примера, приведенного на рисунке 21, текст этого файла может выглядеть так:

A-(B,C)

C-(D,E)

Привязка к памяти происходит в момент очередной загрузки одной из ветвей программы. Оверлеи не требуют специальной поддержки со стороны ОС. Они могут быть полностью реализованы на пользовательском уровне с простой файловой структурой.

Заметим, что здесь впервые проявляется свойство локальности, которое дает возможность хранить в памяти только ту информацию, которая необходима в каждый конкретный момент вычислений.

На современных системах (32-разрядных, 64-разрядных), где виртуальное адресное пространство измеряется гигабайтами, проблемы с нехваткой памяти решаются другими способами (виртуальная память).

§ Схема с переменными разделами

Более эффективной представляется схема с переменными (динамическими) разделами. В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память свободна. Каждой вновь поступающей задаче выделяется необходимая ей память.

Если достаточный объем памяти отсутствует, то задача не принимается на выполнение и стоит в очереди. После завершения задачи память освобождается, и на это место может быть загружена другая задача.

Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера. Смежные свободные участки могут быть объединены в один.

На рисунке 22 показано состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения. Так в моментв памяти находится только ОС, а к моментупамять разделена между 5 задачами, причем задача П4, завершаясь, покидает память. На освободившееся после задачи П4 место загружается задача П6, поступившая в момент.

Рис. 22. Распределение памяти динамическими разделами

Задачами операционной системы при реализации данного метода управления памятью является:

· ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти,

· при поступлении новой задачи – анализ запроса, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения поступившей задачи в соответствии с одной из стратегий (first fit, best fit, worst fit)

· загрузка задачи в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей,

· после завершения задачи корректировка таблиц свободных и занятых областей.

Этому методу также присуща внешняя фрагментация вследствие наличия большого числа участков свободной памяти. Проблемы фрагментации могут быть различными.

В худшем случае мы можем иметь участок свободной (потерянной) памяти между двумя процессами. Если все эти куски объединить в один блок, мы смогли бы разместить больше процессов.

Выбор между first-fit и best-fit слабо влияет на величину фрагментации.

В зависимости от суммарного размера памяти и среднего размера процесса эта проблема может быть большей или меньшей.

Статистический анализ показывает, что при наличии n блоков пропадает n/2 блоков, то есть 1/3 памяти! Это известное 50% правило (два соседних свободных участка в отличие от двух соседних процессов могут быть объединены в один).

Одно из решений проблемы внешней фрагментации – разрешить адресному пространству процесса не быть непрерывным, что разрешает выделять процессу память в любых доступных местах. Один из способов реализации такого решения – это paging , используемый во многих современных ОС (будет рассмотрен ниже).

§ Схема с перемещаемыми разделами

Другим способом борьбы с внешней фрагментацией является сжатие (рис. 23)., то есть перемещение всех занятых (свободных) участков в сторону возрастания (убывания) адресов, так, чтобы вся свободная память образовала единую непрерывную область.

В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей.

Этот метод иногда называют схемой с перемещаемыми разделами. В идеале фрагментация после сжатия должна отсутствовать.

Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера.

В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором – реже выполняется процедура сжатия.

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом. В идеале фрагментация после сжатия должна отсутствовать.

Рис. 23. Распределение памяти перемещаемвми разделами

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, а алгоритм выбора оптимальной стратегии сжатия очень трудоемкий, что часто перевешивает преимущества данного метода.

Виртуальная память

Уже давно существует проблема размещения в памяти программ, размер которых превышает размер доступной памяти (один из вариантов ее решения –организация структур с перекрытием рассмотрен в 6.3.1) При этом предполагалось активное участие программиста в процессе сегментации и загрузки программы.

Было предложено переложить проблему на компьютер. Развитие архитектуры компьютеров привело к значительному усложнению организации памяти, соответственно, усложнились и расширились задачи операционной системы по управлению памятью.

Одним из главных усовершенствований архитектуры стало появление виртуальной памяти (virtual memory). Она впервые была реализована в 1959 г.

на компьютере Атлас, разработанном в Манчестерском университете, и стала популярной только спустя десятилетие.

Определение: 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.

Определение: виртуальная память ¾ 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.

Таким образом, при помощи виртуальной памяти обычно решают двезадачи:

Во-первых,виртуальная память позволяет адресовать пространство, гораздо большее, чем емкость физической памяти конкретной вычислительной машины.

В соответствии с принципом локальности для реальных программ обычно нет необходимости в помещении их в физическую память целиком.

Возможность выполнения программы, находящейся в памяти лишь частично имеет ряд вполне очевидных преимуществ:

· Программа не ограничена величиной физической памяти. Упрощается разработка программ, поскольку можно задействовать большие виртуальные пространства, не заботясь о размере используемой памяти.

· Поскольку появляется возможность частичного помещения программы (процесса) в память и гибкого перераспределения памяти между программами, можно разместить в памяти больше программ, что увеличивает загрузку процессора и пропускную способность системы.

· Объем ввода-вывода для выгрузки части программы на диск может быть меньше, чем в варианте классического свопинга, в итоге, каждая программа будет работать быстрее.

Во-вторых,обеспечение контроля доступа к отдельным сегментам памяти и в частности защиту пользовательских программ друг от друга и защиту ОС от пользовательских программ – обеспечение защиты.

Хотя известны и чисто программные реализации виртуальной памяти, это направление получило наиболее широкое развитие после получения соответствующей аппаратной поддержки.

Идея аппаратной части механизма виртуальной памяти состоит в том, что адрес памяти, вырабатываемый командой, интерпретируется аппаратурой не как реальный адрес некоторого элемента основной памяти, а как некоторая структура, где адрес является лишь одним из компонентов наряду с атрибутами, характеризующими способ обращения по данному адресу.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник: https://zdamsam.ru/a14126.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector