Планування ресурсу Оперативна память (стр. 3 из 8)

Поки в ОП знаходяться виконуючі сегменти, інші знаходяться в зовнішній пам’яті. Після того як текучий сегмент завершив своє виконання, можливі два варіанти:

1) або він сам (якщо даний сегмент непотрібно в зовнішній пам’яті в його текучому стані) звертається до ОС з указівкою який сегмент повинен бути завантажений в пам’ять наступний.

2) або він повертає управління головному сегменту програми (в модуль main), і уже той звертається до ОС з указівкою, який сегмент зберегти (якщо потрібно), а який сегмент завантажити в ОП, і знову віддає управління одному з сегментів що знаходяться в пам’яті. Найпростіша схема сегментування передбачає, що в пам’яті у кожний конкретний момент часу може знаходитися тільки один сегмент (разом із модулем main). Більш складні схеми, які використовують у великих обчислювальних системах, дозволяють розміщувати по декілька сегментів. В деяких обчислювальних комплексах можуть бути окремо сегменти коду і сегменти даних. Сегменти коду як правило не терплять змін в процесі свого виконання, тому при завантаженні нового сегмента коду на місце опрацьованого, останній може не зберігатись в зовнішній пам’яті, на відміну від сегмента даних, який обов’язково зберігати.

3. Методи розподілу пам'яті без використання дискового простору

Усі методи керування пам'яттю можуть бути розділені на два класи: методи, що використовують переміщення процесів між ОП і диском, і методи, що не роблять цього (рис.19). Почнемо з останнього, більш простого класу методів.

Рис. 19. Класифікація методів розподілу пам'яті

3.1. Розподіл пам'яті фіксованими розділами

Найпростішим способом керування ОП є поділ її на кілька розділів фіксованої величини. Це може бути виконане вручну оператором під час старту чи системи під час її генерації. Чергова задача, що надійшла на виконання, міститься або в загальну чергу (рис.20.а), або в чергу до деякого розділу (рис.20.б).

Рис. 20. Розподіл пам'яті фіксованими розділами:

а - із загальною чергою; б - з окремими чергами

Підсистема керування пам'яттю в цьому випадку виконує наступні задачі:

· порівнюючи розмір програми, що надійшла на виконання, і вільних розділів, вибирає придатний розділ,

· здійснює завантаження програми і настроювання адрес.

При очевидній перевазі - простоті реалізації - даний метод має істотний недолік - жорсткість. Тому що в кожнім розділі може виконуватися тільки одна програма, то рівень мультипрограмування заздалегідь обмежений числом розділів не залежно від того, який розмір мають програми. Навіть якщо програма має невеликий обсяг, вона буде займати весь розділ, що приводить до неефективного використання пам'яті. З іншого боку, навіть якщо обсяг ОП машини дозволяє виконати деяку програму, розбиття пам'яті на розділи не дозволяє зробити цього.

3. 2. Розподіл пам'яті розділами змінної величини

У цьому випадку пам'ять машини не поділяється заздалегідь на розділи. Спочатку вся пам'ять вільна. Кожній знову поступаючій задачі виділяється необхідна їй пам'ять. Якщо достатній обсяг пам'яті відсутній, то задача не приймається на виконання і стоїть в черзі. Після завершення задачі пам'ять звільняється, і на це місце може бути завантажена інша задача. Таким чином, у довільний момент часу ОП являє собою випадкову послідовність зайнятих і вільних ділянок (розділів) довільного розміру. На рис.21 показаний стан пам'яті в різні моменти часу при використанні динамічного розподілу. Так в момент t0 у пам'яті знаходиться тільки ОС, а до моменту t1 пам'ять розподілена між 5 задачами, причому задача П4, завершуючись, залишає пам'ять. На звільнене після задачі П4 місце завантажується задача П6, що надійшла в момент t3.

Рис.21. Розподіл пам'яті динамічними розділами

Задачами ОС при реалізації даного методу керування пам'яттю є:

· ведення таблиць вільних і зайнятих областей, у яких вказуються початкові адреси і розміри ділянок пам'яті;

· при надходженні нової задачі - аналіз запиту, перегляд таблиці вільних областей і вибір розділу, розмір якого достатній для розміщення задачі, що надійшла;

· завантаження задачі у виділений їй розділ і коректування таблиць вільних і зайнятих областей;

· після завершення задачі коректування таблиць вільних і зайнятих областей.

Програмний код не переміщається під час виконання, тобто може бути проведене одночасне настроювання адрес за допомогою використання переміщуваного завантажника.

Вибір розділу для нової задачі може здійснюватися за різними правилами, таким, наприклад, як перший розділ достатнього розміру, або розділ, що має найменший достатній розмір, або розділ, що має найбільший достатній розмір. Усі ці правила мають свої переваги і недоліки.

У порівнянні з методом розподілу пам'яті фіксованими розділами даний метод має набагато більшу гнучкість, але йому властивий дуже серйозний недолік - фрагментація пам'яті. Фрагментація - це наявність великого числа несуміжних ділянок вільної пам'яті дуже маленького розміру (фрагментів). Настільки маленького, що жодна із програм що поступають не може поміститися в жодній з ділянок, хоча сумарний обсяг фрагментів може скласти значну величину, що набагато перевищує необхідний обсяг пам'яті.

3.3. Розподіл пам'яті переміщуваними розділами

Одним з методів боротьби з фрагментацією є переміщення всіх зайнятих ділянок у бік старших або у бік молодших адрес, так, щоб уся вільна пам'ять утворювала єдину вільну область (рис.22). В доповненні до функцій, що виконує ОС при розподілі пам'яті змінними розділами, у даному випадку вона повинна ще час від часу копіювати вміст розділів з одного місця пам'яті в інше, коректуючи таблиці вільних і зайнятих областей. Ця процедура називається "стиском”. Стиск може виконуватися або при кожнім завершенні задачі, або тільки тоді, коли для знову надійшла задачі немає вільного розділу достатнього розміру. У першому випадку потрібно менше обчислювальної роботи при коректуванні таблиць, а в другому - рідше виконується процедура стискування. Тому що програми переміщаються по ОП в ході свого виконання, то перетворення адрес з віртуальної форми у фізичну повинно виконуватися динамічним способом.

Рис. 22. Розподіл пам'яті переміщуваними розділами

Хоча процедура стиску і приводить до більш ефективного використання пам'яті, вона може вимагати значного часу, що часто переважує переваги даного методу.

4. Методи розподілу пам'яті з використанням дискового простору.

4.1. Поняття віртуальної пам'яті.

Уже досить давно користувачі зустрічалися з проблемою розміщення в пам'яті програм, розмір яких перевищував наявну вільну пам'ять. Рішенням було розбиття програми на частині, які називаються оверлеями. Нульовий оверлей починав виконуватися першим. Коли він закінчував своє виконання, він викликав інший оверлей. Всі оверлеї зберігалися на диску і переміщувались між пам'яттю і диском засобами ОС. Однак розбивка програми на частини і планування їхнього завантаження в ОП повинен був здійснювати програміст.

Розвиток методів організації обчислювального процесу в цьому напрямку привело до появи методу, відомого під назвою віртуальна пам'ять. Віртуальним називається ресурс, який користувачу чи користувацькій програмі представляється володіючим властивостями, якими він у дійсності не володіє. Так, наприклад, користувачу може бути надана віртуальна ОП, розмір якої перевершує всю наявну в системі реальну ОП. Користувач пише програми так, ніби в його розпорядженні наявна однорідна ОП великого обсягу, але в дійсності всі дані, використовувані програмою, зберігаються на одному чи декількох різнорідних ЗП, звичайно на дисках, і при необхідності частинами відображаються в реальну пам'ять.

Віртуальна пам'ять - це сукупність програмно-апаратних засобів, що дозволяють користувачам писати програми, розмір яких перевершує наявну ОП.

Для цього ВП вирішує наступні задачі:

- розміщує дані в ЗП різного типу, наприклад, частина програми в ОП, а частина на диску;

- переміщує по мірі необхідності дані між ЗП різного типу, наприклад, завантажує потрібну частину програми з диска в ОП;

- перетворює ВА у фізичні.

Всі ці дії виконуються автоматично, без участі програміста, тобто механізм ВП і є прозорим стосовно користувача.

Найбільш розповсюдженими реалізаціями ВП є сторінковий, сегментний і сторінково-сегментний розподіл пам'яті, а також свопінг.

4.2. Сторінковий розподіл

ВАП кожного процесу поділяється на частини однакового, фіксованого для даної системи розміру, як називаються віртуальними сторінками. У загальному випадку розмір ВАП не є кратним розміру сторінки, тому остання сторінка кожного процесу доповнюється фіктивною областю.

Вся ОП машини також поділяється на частині такого ж розміру, називані фізичними сторінками (чи блоками).

Розмір сторінки звичайно вибирається рівним ступеня двійки: 512, 1024 і т.д., це дозволяє спростити механізм перетворення адрес.

При завантаженні процесу частина його віртуальних сторінок міститься в ОП, а інші - на диск. Суміжні віртуальні сторінки не обов'язково розташовуються в суміжних фізичних сторінках. При завантаженні ОС створює для кожного процесу інформаційну структуру - таблицю сторінок, у якій установлюється відповідність між номерами віртуальних і фізичних сторінок для сторінок, завантажених в ОП, чи робиться оцінка про те, що віртуальна сторінка вивантажена на диск. Крім того, у таблиці сторінок міститься керуюча інформація, така як ознака модифікації сторінки, ознака невивантаження (вивантаження деяких сторінок може бути заборонене), ознака звертання до сторінки (використовується для підрахунку числа звертань за визначений період часу) і інші дані, формовані і використовувані механізмом ВП.