Kombinuotas puslapių ir segmentų metodas. Apsauga ir bendras atminties naudojimas

VILNIAUS KOLEGIJA ELEKTRONIKOS IR INFORMATIKOS FAKULTETAS KOMBINUOTAS PUSLAPIŲ IR SEGMENTŲ METODAS. APSAUGA IR BENDRAS ATMINTIES NAUDOJIMAS 65309P101 PK 05A 01 STUDENTAS (parašas) 2021-02 JURIJ JAKOVLEV DĖSTYTOJ (parašas) 2021-02 2021-02-15 Kombinuotas puslapiu ir segmentu metodas. Apsauga ir bendras atminties naudojimas. Atminties valdymas Atminties valdymas yra susijęs su kompiuterio turimos atminties valdymu, jos išskyrimu taikomųjų programų, reikmėms, užtikrinant, kad jos netrukdys viena kitai. Rezidentinės ir laikinos programos. Operacinė sistema – tai programų aibė. Dalis iš jų , tokios kaip tos, kurios kontroliuoja fizinį I/O yra nuolat reikalingos taikomųjų programų darbo užtikrinimui, todėl jos yra rezidentinės ir turi nuolat būti atmintyje. Kitos programos, kaip pavyzdžiui disko formatavimo naudojamos rečiau. Šios laikinos programos gali būti laikomos diske ir nuskaitomos į atmintį tik iškilus reikalui jas panaudoti. Paprastai pati operacinė sistema užima žemiausių atminties adresų sritį., pradedant nuo 0. Toliau seka sritis, kurią užima rezidentinės sistemos paprogramės. Likusi atminties sritis, laikina sritis, į kurią yra talpinamos taikomosios programos bei laikinos operacinės sistemos paprogramės. Konkurencija Dėl skirtingų kompiuterio ir jo periferinių įrenginių greičių, I/O operacijos turi didelę įtaką sistemos efektyvumui. Pavyzdžiui, tarkime, kad kompiuterio atmintyje randasi viena programa. Programa negali apdoroti tų duomenų, kurių ji dar neturi, arba ji nebus baigta, kol nebus baigtas išvedimas.; taigi programa turės laukti įvedimo arba išvedimo pabaigos. Kadangi ta programa kontroliuoja kompiuterį, kompiuteris lauks taip pat. Taigi dėl greičių skirtumo tarp procesoriaus ir periferinių įrenginių, programa daugiau laiko praleis laukdama I/O nei apdorodama duomenis. Taigi kodėl nepatalpinti dviejų programų į atmintį? Tada, kol programa A lauks duomenų, procesorius galės skirti dėmesį programai B. Ir kodėl apsiriboti dvejomis programomis? Esant trims programoms dar geriau bus išnaudotas laukimo laikas. (6,2) Bendru atveju, kuo daugiau programų bus atmintyje, tuo geresnis bus procesoriaus panaudojimas. Vieno mašinos ciklo metu procesorius paima ir apdoroja tik vieną mašininę komandą(instrukciją). Kadangi procesorius vienu metu gali vykdyti tik vieną instrukciją, jis negali vienu metu vykdyti dvi ar daugiau programų. Taigi, nors daug programų gali dalintis atmintimi, tik viena iš jų gali būti aktyvi. Lygiagretumas reiškia “tuo pačiu momentu”. Nė joks vienas procesorius negali vykdyti dviejų arba daugiau programų lygiagrečiai. “Concurrent” (konkuruojančiai) reiškia “tame pačiame laiko intervale”. Procesorius iš tikrųjų gali vykdyti dvi ar daugiau programų šiuo principu. (concurrently). Skyriai ir sritys Paprasčiausias algoritmas, taikomas valdant atmintį, kai joje yra kelios konkuruojančios programos, yra atminties valdymas naudojant fiksuotus atminties skyrius. (6.3) Visa turima atmintis yra sudaloma į fiksuoto ilgio skyrius, kurių kiekviename yra saugoma viena programa. Skyrių dydžiai yra nustatomi sistemos inicializacijos metu, iš anksto, dar nežinant, kokio atminties kiekio reikės konkrečiai programai. Kadangi skyriaus dydis turi būti pakankamas didžiausios programos patalpinimui, tai taikant tokį metodą su fiksuoto dydžio skyriais yra neišnaudojama ir prastovi atmintis. Pagrindinis šio principo privalumas yra jo paprastume.   Esant dinaminiam atminties valdymui, laikina sritis yra traktuojama kaip dinamiškai skirstoma laisva sritis. Kai sistema nusprendžia įkelti atitinkamą programą, sritis, kuri yra pakankama tos programos įkėlimui yra išskiriama iš neužimtos erdvės. Kadangi išskiriama sritis tokia, kokios programai reikia, tai atmintis lyg ir naudojama efektyviai. Tačiau dinaminis atminties valdymas neišsprendžia atminties gero išnaudojimo. Lai pavyzdžiui 640 K programa baigia darbą, (6.4). Jei tuo momentu nėra kitos programos, kurios dydis būtų 640 K, o yra 250K bei 300K programos, tai sistema galės jas įkelti, tačiau 90K liks laisvos. Jei nebus tokios programos, kurios dydis būtų 90K arba mažesnis, tai ši sritis liks neišnaudota. Laikui bėgant tokių nepanaudojamų zonų skaičius didės ir sukels fragmentacijos problemą. Segmentacija Fragmentacija kyla iš suvokimo, kad tiek esant fiksuotų skyrių valdymo ideologijai, tiek dinaminiam valdymui yra laikoma, kad programa būtinai turi užimti ir būti patalpinta į nepertraukiamą atmintį . Esant segmentacijai, programos yra dalomos į nepriklausomai adresuojamus segmentus ir jie yra laikomi atskirose adresinėse erdvėse.(6.5). Segmentacija reikalauja papildomo žingsnio, kai yra atliekama adreso transliacija. Kai programa yra įkeliama į atmintį, operacinė sistema sukuria segmentų lentelę, kurioje yra nurodomas (absoliutus) kiekvieno programos segmento pradžios adresas. (6.6). (Kiekvienai aktyviai programai yra atskira segmentų lentelė). Vėliau, kai operacinė sistema pradeda vykdyti šią programą, šios programos šios programos segmentų lentelės adresas yra įkeliamas į specialų registrą. Programos vykdymo metu , adresai turi būti transliuojami iš santykinio į absoliučius, kadangi programuotojai naudoja santykinius adresus, o kompiliatoriai juos transliuoja į bazę plius poslinkis. Vykdant komandą (instrukciją), komandos operandų adresai yra gaunami prie bazinio registro turinio dedant poslinkį. Tradiciškai tokiu būdu gautas adresas būdavo absoliučiu adresu. Esant segmentacijai, adresas susideda iš dviejų dalių: segmento numerio bei poslinkio.(6.6). Konvertuojant tokį adresą į absoliutų, atliekami šie veiksmai: 1. tikrinamas specialus registras ieškant programos segmentų lentelės. 2. Iš adreso paimama jo dalis – segmento nr. 3. Naudojamas segmento nr. paieškai segmentų lentelėje 4. randamas segmento pradžios adresas, 5. jis yra pridedamas prie poslinkio ir taip gaunamas absoliutus adresas. Šis procesas (pav6.6) vadinamas dinamine adreso transliacija. Puslapiavimas Programos segmentai gali skirtis savo ilgiu. Taikant puslapiavimą, programa yra sudaloma į fiksuoto ilgio puslapius. Puslapio dydis paprastai yra nedidelis ir yra parenkamas siekiant efektyvumo techninės įrangos atžvilgiu. Kaip ir segmentų atveju, programos puslapiai nėra talpinami į vientisą atmintį, jie išmėtomi į laisvas atminties sritis. Tokiu atveju adresas yra sudaromas iš dviejų dedamųjų (6.7), puslapio numerio (adreso vyresnėse bitų skiltyse) bei poslinkio (nurodomo adreso jaunesnėse bitų skiltyse). Adresų dinaminė transliacija yra atliekama programos vykdymo metu. Instrukcijos vykdymo metu, bazinis adresas bei poslinkis yra paverčiami absoliučiu adresu techninės įrangos priemonėmis. Puslapio bazinis adresas yra gaunamas iš programos puslapių lentelės ( kaip kad segmento adresas – iš segmentų lentelės), šią lentelę tvarko operacinė sistema. Puslapio adresas sumuojasi su poslinkio reikšme ir tuo būdu yra nustatomas absoliutus adresas. Segmentacija ir puslapiavimas Kartais segmentacija ir puslapiavimas naudojami kartu, tokiu atveju adresas nusakomas segmento numerio, puslapio numerio segmente bei poslinkio reikšmės puslapyje. (6.8). Vykdant tokio adreso transliaciją pradžioje yra nagrinėjama su programa surišta segmentų lentelė,iš jos yra gaunama atitinkamo segmento puslapių lentelė, iš kurios yra gaunamas puslapio bazinis adresas, prie kurio pridėjus poslinkį yra nustatomas absoliutus adresas. Puslapiais organizuojama virtualioji atmintis. Vykdymo pradžioje pakrovėjas talpina į atmintį vieną puslapį. Toliau generuojami puslapių pareikalavimo pertraukimai. Formuojamas proceso rezidentinis rinkinys. Kai realioje atmintyje nebėra nevieno laisvo puslapio, OS vykdo puslapių apsikeitimą tarp pagrindinės ir diskinės atminties. Kiekvieno proceso adresų transliavimas vyksta naudojant atskiras puslapių lenteles. Specialus puslapių lentelės registras saugo nuorodą į aktyvaus proceso lentelės adresą atmintyje. Keičiantis procesui keičiasi jo kontekstas (t.y. registrų turinys). Adresų transliavimą vykdo elektroninės (procesoriaus) schemos. Be adresų, i-joje lentelės eilutėje saugojami i-jo puslapio kreipimosi požymių bitai: p, m ir kt. Tad, eilutės dydis - keletas baitų; puslapių skaičius " 1 mln. Todėl, pačios puslapių lentelės saugojamos virtualioje atmintyje. Sistemos apkrovimas. Nuorodų lokalizavimas. Proceso darbinis rinkinys. Darbinio rinkinio langas. Neproduktyvus apsikeitimas (thrashing). Optimalus aktyvių procesų skaičius. Puslapių apsikeitimo strategijos • LRU - puslapis, mažiausiai naudotas pastaruoju metu (least recently used) • NRU - nenaudotas pastaruoju metu • FIFO - eilės metodas: keičiamas puslapis, kuris ilgiausiai buvo atmintyje • Clock arba second chance - eilė kaip žiedinis sąrašas su panaudojimo bitu • NWPF - išankstinis laisvų atminties blokų paruošimas puslapių pakrovimui Puslapiais skirstomas atminties valdymas Adresas susideda iš dviejų dalių: puslapio numerio ir poslinkio puslapyje. Puslapių lentelė konvertuoja loginio puslapio numerį į fizinį. Segmentais skirstoma atmintis (segmentation) Atminties skirstymo vienetas - kintamojo dydžio segmentas. Analogija su kintamo padalijimo metodu, bet procesas gali būti suskaidytas į segmentus. loginis adresas segm. poslinkis fizinis adresas bazė + poslinkis • Segmentavimas atspindi loginę programos struktūrą ir todėl minimizuoja procesų pakrovimą. Leidžia procesams bendrai naudotis atmintimi. • Puslapiavimas leidžia išvengti fragmentavimo; aiškus programuotojui. Atminties apsauga Atminties valdymas apima ne tik atminties priskyrimą programoms. RAM turinį galima labai lengvai keisti. Kai daug programų dalosi atmintimi, yra galimybė, kad viena programa gali pakeisti turinį atminties, priklausančios kitai programai. Taigi atminties valdymas turi užtikrinti tai, kad bet kokia aktyvi programa būtų apsaugota viena nuo kitos poveikio. Paprastai operacinė sistema įsimena sritį, priskirtą konkrečiai programai. Jei programa bando modifikuoti ( arba bent skaityti) turinį atminties, nepriklausančios tai programai, įsikiša operacinės sistemos atminties apsaugos paprogramės ir neleidžia to daryti vartotojo programai. Atminties apsaugos ir bendro naudojimo aspektai Violation - proceso bandymas adresuoti jam nepriklausomą atmintį Adresavimo klaidų neatpažįsta transliatoriai; naudojama dinaminė atmintis. Ribiniai registrai (limit registers) saugo viršutinius skiriamų blokų adresus. Puslapiavimo sistemose specialus registras saugo aktyvaus proceso maksimalų puslapio numerį. Poslinkis negali viršyti puslapio dydžio. Puslapių turinys paprastai nežinomas, tad retai bendrai naudojamas. Segmentavimas atspindi loginę programos struktūrą, segmentų turinys - tai programuotojo apibrėžtos procedūros ir duomenys. Todėl priėjimo kontrolė ir bendras segmentų naudojimas nesunkiai įgyvendinami naudojant segmento deskriptoriaus atributus. Personalinio kompiuterio OS atminties modeliai MS-DOS: • Naudojamas segmentavimas, segmentų registrai gali būti keičiami vykdymo metu. Procesas gali turėti daug kodo ir/arba duomenų segmentų. • Naujos versijos leidžia turėti atmintyje kelis procesus, tik vienas iš kurių yra aktyvus. Proceso pakrovimui į laisvą bloką naudojamas pirmojo atitikmens metodas. • Atminties modelių apibrėžimai: Modelis Kodo segmentų skaičius Duomenų segmentų skaičius Savybės Tiny 1 Viskas - kodas, duomenys, krūva ir stekas - užima 64K. (.com failai) Small 1 nuorodos "near" 1 near Statiniai duomenys, krūva ir stekas kartų užima 64K. Compact 1 near >1 far Kodas, stat. duomenys ir stekas - po 64K; Din. duomenis 1 far 1 near Kodas 1 far >1 far Kodas 1 far >1 far Kodas 64K. • Du adresavimo tipai: "artimas" near ir "tolimas" far. Near - procesoriaus instrukcijose naudojamas tik poslinkis; far - instrukcijose naudojamas tiek segmento adresas, tiek poslinkis. Near adresavimui reikia mažesnio procesoriaus taktų skaičiaus; tokios komandos vykdomos greičiau. • Du objektinių programų formatai: .COM - naudoja tik vieną segmentą tiek kodui, tiek duomenims (t.y. 64K). Čia segmentų registrai CS, DS, SS, ir ES įgauna vienodą reikšmę. .EXE - šios programos gali naudoti visus segmentų registrus (iki 6) ir, atitinkamai, užimti daug atminties segmentų tiek kodui, tiek duomenims. MS-WINDOWS 3.x: • Skirtingai nuo OS/2 šios Windows versijos vis dar naudoja 16 bitų atminties adresavimą, t.y. nesugeba pasinaudoti 80386 ir naujų procesorių 32 bitų adresavimo galimybėmis. Tai savotiškas mokestis už suderinamumą su senais Intel procesorių modeliais. • Trys Windows 3.x darbo režimai: Realusis režimas (real mode) skirtas Windows 3.0 versijai, 8086/8088 procesoriams ir yra analogiškas MS-DOS režimui. Vartotojui prieinama tik iki 640 Kb operatyviosios atminties. Standartinis režimas (standard mode) skirtas versijoms 3.0 ir 3.1 bei 80286 procesoriui (dar vadinamas apsauginiu 286 režimu). Reikalauja mažiausiai 1Mb (v. 3.0) ir 2Mb (v. 3.1) op. atminties bei 6.5-9 Mb diskinės atminties. Leidžia naudotis visa išplėstine atmintimi (iki 16Mb) ir persijungti iš vienos programos į kitą. Išplėstinis režimas (enhanced mode) skirtas Windows sistemoms vykdomoms 80386 ar naujesniuose procesoriuose (dar vadinamas apsauginiu 386 režimu). Realizuoja virtualinės atminties (mašinos) režimą, leidžia vykdyti daug uždavinių vienu metu (tame tarpe ir keletą MS-DOS programų). Naudojamas segmentavimas, leidžiantis naudoti tą patį kodo ir resursų segmentą kelioms tos pačios programos kopijoms. Kodo ir resursų segmentai gali būti pakrauti pagal pareikalavimą. Atminties blokai gali būti perkeliami vykdymo metu; tokiais blokais gali būti kodo, duomenų ir resursų segmentai. Jie vadinami "movable". Segmentai gali būti ir griežtai fiksuoti "fixed"; juose talpinamos MS-DOS programos vykdomos Windows sistemoje. Segmentus galima pažymėti kaip iškraunamus - "discardable". Segmentų apsikeitimui naudojamas modifikuotas FIFO metodas.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!