Модель оперативной памяти с точки зрения операционной системы

Основные функции операционной системы:

обеспечить удобный интерфейс для программиста;

эффективно распоряжаться ресурсами компьютера.

Одним из ресурсов компьютера является оперативная память.

Для программиста оперативная память это хранилище объектов размером 2ⁱ байтов (i=1, 2, 3, 4, 5 и т.д.). В варианте (все объекты хранения размером в 1 байт) и объеме оперативной памяти N=2³² объектов в распоряжении операционной системы находится N=2³² объектов. Каждый объект находится на учете.

Операционная система выделяет каждой программе необходимое количество объектов (ячеек) оперативной памяти. Все эти данные (кому и сколько выдано, сколько и каких объектов свободно) отражены в соответствующих структурах операционной системы. Можно представить себе, сколько же места в оперативной памяти будут занимать эти структуры, если каждый объект оперативной памяти будет размером в 1 байт. Причем, для операционной системы работа с такими мелкими единицами ресурсов очень накладна и по времени. Это означает, что при выборе размера блока оперативной памяти, которым оперирует операционная система, необходим определенный компромисс.

Размер блока оперативной памяти, с которым работает операционная система, должен удовлетворять следующим требованиям:

для операционной системы желательно, чтобы размер блока был большим. Это позволит иметь малые размеры структур, которые хранят информацию о ресурсах оперативной памяти, а также минимизируется время распределения и возврата ресурсов (время обновления структур данных о ресурсах).

для эффективного использования оперативной памяти желательно, чтобы размер выделенного участка оперативной памяти (количество выделенных программе блоков) был как можно ближе к заявленному размеру оперативной памяти.

Чем меньше размер блока, тем больше их требуется для процесса, что означает увеличение табли­цы этих блоков (страниц). Для больших программ в загруженной многозадачной среде это может означать, что часть таблиц страниц активных процессов будет находиться на диске, и при обращении к реальной оперативной памяти будет возникать двойное пре­рывание из-за отсутствия страницы: сперва, при получении требуемой записи из таблицы страниц, а затем — при обращении к странице процесса. Еще одним фактором, который следует учесть, являются физические характеристики боль­шинства устройств дисковой памяти, приводящие к тому, что передача боль­ших блоков осуществляется более эффективно.

Вопрос усложняется еще и тем, что на частоту возникновения прерывания из-за отсутствия страницы в реальной оперативной памяти влияет размер страницы. Если размер страницы очень мал, то в реальной оперативной памяти размещается относительно большое количество страниц процесса. Через некоторое время страницы в оперативной памяти будут содержать части про­цесса, сосредоточенные вблизи последних обращений, и частота возникновения прерывания из-за отсутствия страницы должна быть невелика. По мере увеличе­ния размера страницы каждая отдельная страница будет содержать данные, ко­торые располагаются все дальше и дальше от последних выполненных обращений к оперативной памяти. Соответственно, действие принципа локализации ослабевает, и наблюдается рост количества прерываний из-за отсутствия страницы. В конце концов, когда размер страницы начинает становиться сравнимым с размером процесса, прерывания из-за отсутствия страницы становят­ся все реже, а по достижении размера этого процесса прекращаются вовсе.

Решение об используемом размере страниц связано с размером физической оперативной памяти и размером программы.

Еще в 70-80-х годах прошлого века было принято, что для операционной системы размер одного блока (страницы) оперативной памяти составляет 4К байт. В то время при размерах оперативной памяти в несколько миллионов байт это позволяло операционной системе оперировать с тысячами и десятками тысяч таких блоков, что было достаточно комфортно. В то же время средняя величина неэффективно используемой оперативной памяти для одной программы составляла 2К байт, что при достаточно больших размерах программ было незначительной величиной.

Сегодня при объемах оперативной памяти в 4Г (и более) байт для многих компьютеров в операционных системах также используется размер блока (страницы) 4К байт. При оперативной памяти в 4Г байт в распоряжении операционной системы находится 1 миллион страниц. Величина достаточно большая.

Далеко не всегда необходимо уметь распределять оперативную память с такой большой разрешающей способностью. Не надо забывать, также, что при таком большом числе страниц значительно возрастает не только размер структур для их описания, но и затраты времени операционной системы на работу с этими структурами. Сегодня время это очень дорогой ресурс.

Выручает то, что производительность современных компьютеров возросла настолько, что обычный пользователь не ощущает неудобств от работы операционной системы с такими большими объемами оперативной памяти и размером страниц в 4К байт.

Однако имеются и программы, для которых нецелесообразно работать со страницами 4К байт. Если размер программ большой, то и выделять им ресурсы оперативной памяти можно большими порциями, обеспечивая при этом и достаточно эффективное использование оперативной памяти.

Имеются возможности распределять оперативную память страницами, например, 16М байт. В аппаратуре универсальных процессоров с архитектурой IA-32/64 такие возможности реализованы. Используются они или нет – это зависит от конкретной операционной системы.

Итак, операционная система видит оперативную память как хранилище объектов, каждый из которых имеет размер 4ⁱК байт (где i=1,2 или значительно большее целое число).

Операционная система распределяет оперативную память страницами. Часто размер страницы равен 4 Кбайт.

Возможны варианты распределения оперативной памяти страницами большего, чем 4К байт размера.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое программа?

2. При выполнении каких условий программа может быть выполнена компьютером?

3. Какие функции подсистемы оперативной памяти в компьютере?

4. Какие требования к подсистеме оперативной памяти предъявляются программистом?

5. Какая емкость оперативной памяти необходима программисту?

6. Каким быстродействием должна обладать оперативная память?

7. Какой размер ячейки оперативной памяти?

8. Чем определяется выбор размера ячейки оперативной памяти?

9. Как размещаются в ячейке данные?

10. Как размещаются в оперативной памяти составные данные?

11. Чем объясняется ограничение на начальный адрес расположения в оперативной памяти составных данных?

12. Какие операции выполняются в оперативной памяти?

13. Какими порциями распределяет оперативную память операционная система?