Виртуальная и физическая память — WEBSITE X5 UNREGISTERED VERSION 12.0.5.22 — Электронный справочник по дисциплине Операционные системы и среды
О перативная память является, пожалуй, одним из наиболее дорогих компонентов компьютерной системы. Ранние системы UNIX имели в своем распоряжении 64 Кбайт оперативной памяти, и это количество было явно недостаточным, современные компьютеры обладают гигабайтами оперативной памяти, но и этого уже мало.
Оперативная память может быть представлена в виде последовательности байтов, каждый из которых имеет свой уникальный адрес, называемый физическим адресом . Именно эти адреса в конечном счете использует процессор, обмениваясь данными с оперативной памятью. Однако адресное пространство процесса существенным образом отличается от адресного пространства физической оперативной памяти. Представим себе, что адресное пространство процесса непосредственно отображалось бы в оперативную память, другими словами, что адреса, используемые процессом, являлись бы физическими адресами. При таком подходе на пути создания многозадачной системы нас ожидал бы ряд непреодолимых препятствий:
Во-первых, трудно себе представить механизм, защищающий адресное пространство одного процесса, от адресного пространства другого или, что более важно, от адресного пространства самой операционной системы. Поскольку каждый процесс работает с физическими адресами, нет никакой гарантии, что процесс не обратится к ячейкам памяти, принадлежащим другим процессам или ядру системы. Последствия такого обращения скорее всего будут весьма плачевными.
Во-вторых, уже на этапе компиляции необходимо было бы предусмотреть распределение существующего физического адресного пространства. При запуске каждый процесс должен занимать непрерывную и непересекающуюся область физических адресов.
В-третьих, подобное распределение памяти между процессами вряд ли можно назвать оптимальным. Объем физической оперативной памяти будет существенным образом ограничивать число процессов, одновременно выполняющихся в системе. Так восемь процессов, каждый из которых занимает 1 Мбайт памяти, исчерпают 8 Мбайт оперативной памяти, а операционная система при средней загрузке насчитывает более 80 процессов!
Все перечисленные проблемы преодолимы с помощью виртуальной памяти. При этом адреса, используемые приложениями и самим ядром, не обязаны соответствовать физическим адресам. Виртуальные адреса транслируются или отображаются в физические на аппаратном уровне при активном участии ядра операционной системы.
Смысл виртуальной памяти заключается в том, что каждый процесс выполняется в собственном виртуальном адресном пространстве. Виртуальное адресное пространство — настоящий рай для процесса. Во-первых, у процесса создается ощущение исключительности — ведь все адресное пространство принадлежит только ему. Во-вторых, он больше не ограничен объемом физической памяти — виртуальная память может значительно превышать физическую. В результате процессы становятся изолированными друг от друга и не имеют возможности (даже при желании) «хозяйничать» в адресном пространстве соседа. Физическая память распределяется максимально эффективно — она не зависит от распределения виртуальной памяти отдельного процесса.
Очевидно, что для реализации виртуальной памяти необходим управляемый механизм отображения виртуального адреса в физический. В современных компьютерных системах процесс отображения выполняется на аппаратном уровне (с помощью обеспечивая высокую скорость трансляции. Операционная система осуществляет управление этим процессом.
Современные процессоры, как правило, поддерживают объединение адресного пространства в области переменного размера — сегменты и области фиксированного размера — страницы. При этом для каждого сегмента или страницы может быть задано собственное отображение виртуальных адресов в физические.
Виртуальное адресное пространство процесса, как правило, является последовательным в рамках уже знакомых нам сегментов — кода, данных, стека и библиотек. Расположение соответствующих областей физической памяти может иметь фрагментированный характер, позволяя оптимально распределять память между процессами.
Физическая и виртуальная память.
При выполнении программы мы имеем дело с физической оперативной памятью, собственно с которой и работает процессор, извлекая из нее команды и данные и помещая в нее результаты вычислений.
Физическая память представляет собой упорядоченное множество ячеек реально существующей оперативной памяти, и все они пронумерованы, то есть к каждой из них можно обратиться, указав ее порядковый номер (адрес). Количество ячеек физической памяти ограниченно и имеет свой фиксированный объем.
Процессор в своей работе извлекает команды и данные из физической оперативной памяти, данные из внешней памяти (винчестера, CD) непосредственно на обработку в процессор попасть не могут.
Системное программное обеспечение должно связать каждое указанное пользователем символьное имя с физической ячейкой памяти, то есть осуществить отображение пространства имен на физическую память компьютера. В общем случае это отображение осуществляется в два этапа: сначала системой программирования, а затем операционной системой. Это второе отображение осуществляется с помощью соответствующих аппаратных средств процессора — подсистемы управления памятью, которая использует дополнительную информацию, подготавливаемую и обрабатываемую операционной системой. Между этими этапами обращения к памяти имеют форму виртуального адреса. При этом можно сказать, что множество всех допустимых значений виртуального адреса для некоторой программы определяет ее виртуальное адресное пространство, или виртуальную память. Виртуальное адресное пространство программы зависит, прежде всего, от архитектуры процессора и от системы программирования и практически не зависит от объема реальной физической памяти компьютера. Можно еще сказать, что адреса команд и переменных в машинной программе, подготовленной к выполнению системой программирования, как раз и являются виртуальными адресами.
При программировании на языках высокого уровня программист обращается к памяти с помощью логических имен. Имена переменных, входных точек составляют пространство имен. Процессор работает только с физической оперативной памятью, которая достаточно дорога и имеет большие, но не всегда достаточные размеры. Когда задача попадает на обработку, то перед ОС встает задача привязать символическое имя задачи с конкретной ячейкой ОП. Так, система программирования, в данном случае транслятор Ассемблера, присваивает каждому символическому имени адрес относительно начала сегмента, а операционная система в сегментные регистры заносит адреса начала сегментов и, при их сложении, получается физический адрес памяти расположения элемента с данным символическим именем. Когда программа прошла этапы трансляции и редактирования, она приобрела двоичный вид. Все символические имена имеют двоичные адреса от какого-то нулевого значения, но они не указывают на конкретные ячейки памяти. В этом случае говорят, что символические имена, команды имеют виртуальный адрес. А когда операционная система соизволит запустить программу на выполнение, применив какую-то дисциплину обслуживания заданий, она каждому виртуальному адресу присвоит конкретный физический адрес оперативной памяти.
Когда администратор вычислительной системы запускает на выполнение множество заданий, то физический адрес команды или данного имеет только та задача, которая в данный момент обрабатывается процессором. Все остальные программы имеют виртуальные адреса, а их сумма составляет виртуальное адресное пространство. Современные ОС могут поддерживать виртуальное адресное пространство размером до 4Гбайт. При большой загрузке вычислительной системы, когда все запущенные на обработку программы не помещаются в оперативной памяти, они располагаются в виртуальной памяти и имеют виртуальные адреса. Когда по какой-либо дисциплине диспетчеризации они запускаются на обработку, модулями операционной системы виртуальные адреса превращаются в физические адреса оперативной памяти.
В некоторых случаях отображение пространства имен на физическую память тождественно отображению на виртуальное пространство. Получается абсолютная двоичная программа, где виртуальные адреса в точности соответствуют физическим. К таким программам относятся часть модулей ОС, которые каждый раз располагаются в ОП по одним и тем же адресам.
При работе на компьютере может встретиться наличие трех ситуаций:
— V(вирт) < V(оп) - виртуальное адресное пространство меньше объема ОП;
— V(вирт) = V(оп) — виртуальное адресное пространство равно объему ОП;
— V(вирт) > V(оп) — виртуальное адресное пространство больше объема ОП.
В первых двух случаях никаких трудностей в распределении оперативной памяти возникнуть не может. Программ мало, все команды и данные находятся в ОП. Распределение ресурсов памяти обеспечивается разными методами.
При мультипрограммировании виртуальное адресное пространство, как правило, бывает намного большего размера, чем свободная оперативная память, предоставляемая операционной системой для выполнения программ. В этом случае от методов распределения памяти между задачами во многом зависит производительность вычислительной системы.
Виртуальная память против физической памяти
Может кто-нибудь объяснить разницу между виртуальной памятью и физической памятью?
Отслеживать
задан 4 янв 2019 в 19:24
Cody Rutscher Cody Rutscher
59 8 8 бронзовых знаков
2 ответа 2
Сортировка: Сброс на вариант по умолчанию
Физическая память — это память, реально находящаяся в оперативном запоминающем устройстве компьютера. В ней размещаются код и данные всех запущенных на выполнение процессов. У физической памяти есть определённые недостатки:
- При запуске программы нужно гарантировать, что адреса, в которые она загружается, не заняты другими процессами
- Программа не может занимать физической памяти больше размера физической памяти
- Нужно защищать участки памяти,занятые процессом, от несанкционированного доступа других процессов
Для решения этих проблем существует аппарат виртуальной памяти. Каждая программа выполняется в своём отдельном виртуальном адресном пространстве. Соответственно, программа ничего не знает о том, в каких физических адресах она находится. А все работы по преобразованию виртуальных адресов в физические берут на себя аппаратные средства компьютера. Как правило, код и данные процесса реально загружаются в физическую память небольшими кусками — страницами — когда они действительно нужны. Сама программа ничего об этих преобразованиях не знает. Это позволяет
- использовать в программе больше оперативной памяти, чем доступно на самом деле
- избежать фрагментации памяти, т.к. страницы имеют небольшой фиксированный размер и загружаются в свободной место
- экономно использовать оперативную память
Виртуальная и физическая память
Оперативная память является, пожалуй, одним из наиболее дорогих компонентов компьютерной системы. Ранние системы UNIX имели в своем распоряжении 64 Кбайт оперативной памяти, и это количество было явно недостаточным, современные компьютеры обладают гигабайтами оперативной памяти, но и этого уже мало.
Оперативная память может быть представлена в виде последовательности байтов, каждый из которых имеет свой уникальный адрес, называемый физическим адресом. Именно эти адреса в конечном счете использует процессор, обмениваясь данными с оперативной памятью. Однако адресное пространство процесса существенным образом отличается от адресного пространства физической оперативной памяти. Представим себе, что адресное пространство процесса непосредственно отображалось бы в оперативную память, другими словами, что адреса, используемые процессом, являлись бы физическими адресами. При таком подходе на пути создания многозадачной системы нас ожидал бы ряд непреодолимых препятствий:
? Во-первых, трудно себе представить механизм, защищающий адресное пространство одного процесса, от адресного пространства другого или, что более важно, от адресного пространства самой операционной системы. Поскольку каждый процесс работает с физическими адресами, нет никакой гарантии, что процесс не обратится к ячейкам памяти, принадлежащим другим процессам или ядру системы. Последствия такого обращения скорее всего будут весьма плачевными.
? Во-вторых, уже на этапе компиляции необходимо было бы предусмотреть распределение существующего физического адресного пространства. При запуске каждый процесс должен занимать непрерывную и непересекающуюся область физических адресов.
? В-третьих, подобное распределение памяти между процессами вряд ли можно назвать оптимальным. Объем физической оперативной памяти будет существенным образом ограничивать число процессов, одновременно выполняющихся в системе. Так восемь процессов, каждый из которых занимает 1 Мбайт памяти, исчерпают 8 Мбайт оперативной памяти, а операционная система при средней загрузке насчитывает более 80 процессов!
Все перечисленные проблемы преодолимы с помощью виртуальной памяти. При этом адреса, используемые приложениями и самим ядром, не обязаны соответствовать физическим адресам. Виртуальные адреса транслируются или отображаются в физические на аппаратном уровне при активном участии ядра операционной системы.
Смысл виртуальной памяти заключается в том, что каждый процесс выполняется в собственном виртуальном адресном пространстве. Виртуальное адресное пространство — настоящий рай для процесса. Во-первых, у процесса создается ощущение исключительности — ведь все адресное пространство принадлежит только ему. Во-вторых, он больше не ограничен объемом физической памяти — виртуальная память может значительно превышать физическую. В результате процессы становятся изолированными друг от друга и не имеют возможности (даже при желании) «хозяйничать» в адресном пространстве соседа. Физическая память распределяется максимально эффективно — она не зависит от распределения виртуальной памяти отдельного процесса.
Очевидно, что для реализации виртуальной памяти необходим управляемый механизм отображения виртуального адреса в физический. В современных компьютерных системах процесс отображения выполняется на аппаратном уровне (с помощью обеспечивая высокую скорость трансляции. Операционная система осуществляет управление этим процессом.
Современные процессоры, как правило, поддерживают объединение адресного пространства в области переменного размера — сегменты и области фиксированного размера — страницы. При этом для каждого сегмента или страницы может быть задано собственное отображение виртуальных адресов в физические.
На рис. 3.4 показана взаимосвязь между виртуальным и физическим адресным пространством. Виртуальное адресное пространство процесса, как правило, является последовательным в рамках уже знакомых нам сегментов — кода, данных, стека и библиотек. Расположение соответствующих областей физической памяти может иметь фрагментированный характер, позволяя оптимально распределять память между процессами.
Рис. 3.4. Виртуальная и физическая память
Размер виртуальной памяти может существенно превышать размер физической за счет использования вторичной памяти или области свопинга — как правило, дискового пространства, где могут сохраняться временно не используемые участки адресного пространства процесса. Например, если при выполнении процесса происходит обращение к виртуальному адресу, для которого присутствует соответствующая страница физической памяти, операция чтения или записи завершится успешно. Если страница в оперативной памяти отсутствует, процессор генерирует аппаратное прерывание, называемое страничной ошибкой (page fault), в ответ на которое ядро определяет положение сохраненного содержимого страницы в области свопинга, считывает страницу в память, устанавливает параметры отображения виртуальных адресов в физические и сообщает процессору о необходимости повторить операцию. Все эти действия невидимы для приложения, которое работает с виртуальной памятью.
Механизм отображения виртуальных адресов в физические (трансляция адреса) существенным образом зависит от конкретной аппаратной реализации. Чтобы наше обсуждение не носило слишком абстрактного характера, в этом разделе рассмотрим механизм отображения виртуальных адресов в физические в операционной системе SCO UNIX на примере семейства процессоров Intel. Однако, как и для остальных подсистем UNIX, основные принципы отличаются мало, и данное изложение поможет читателю представить механизмы управления памятью и разобраться, при необходимости, в конкретной реализации.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Виртуальная память
Виртуальная память Одноуровневая память AS/400 получила свое имя в честь первопроходцев разработки виртуальной памяти в 60-х годах. Чтобы понять происхождение этого термина, необходимо углубиться в историю.Впервые виртуальная память появилась в компьютере Atlas, созданном в
Виртуальная память для систем разделения времени
Виртуальная память для систем разделения времени В связи с появлением в конце 60-х годов систем разделения времени — раннего этапа эволюции мультипрограммных ОС — многие производители компьютеров приняли виртуальную память на вооружение. При мультипрограммировании
Одноуровневая виртуальная память
Одноуровневая виртуальная память В только что описанной реализации виртуальной памяти программист имеет дело с двумя уровнями хранилища: файловая система и виртуальная память разделены. Двухуровневая система хранения вызывает дополнительные накладные расходы.
Постоянная виртуальная память
Постоянная виртуальная память Размер адреса AS/400 значительно превышает необходимый для покрытия всего дискового пространства. Причина такого положения — другая характеристика одноуровневой памяти, называемая постоянством (persistence). Мы уже говорили об этом в главе 5,
Приложение 1 Физическая структура файловой системы Ext2
Приложение 1 Физическая структура файловой системы Ext2 Таблица П1.1. Структура суперблока Таблица П1.2. Структура описания группы блоков Таблица П1.3. Структура индексного дескриптора файла Таблица П1.4. Тип и права доступа к файлу Таблица П1.5. Специальные индексные
Физическая структура базы данных
Физическая структура базы данных Зачем изучать физическую структуру базы данных? Говоря о физической структуре базы данных InterBase, обычно подразумевают то что представляют собой данные с точки зрения низкоуровневой организации данных — вплоть до уровня байтов. Многие
Виртуальная память и страничная организация памяти
Виртуальная память и страничная организация памяти Первым узким местом быстродействия приложения является страничная организация виртуальной памяти. Его легче понять на примере 32-разрядных приложений. 16-разрядные приложения тоже страдают от тех же проблем, но сама
Физическая безопасность
Физическая безопасность Содержите серверы и чувствительные или критичные клиентские машины в помещениях с хорошо закрываемыми дверями. Если у вас на серверах или рабочих станциях установлена система FAT32, любой пользователь, локально подключившийся к одной такой
2.1.1. Физическая и логическая модель данных
2.1.1. Физическая и логическая модель данных ERwin имеет два уровня представления модели — логический и физический. Логический уровень — это абстрактный взгляд на данные, на нем данные представляются так, как выглядят в реальном мире, и могут называться так, как они называются
Файл подкачки и виртуальная память
Файл подкачки и виртуальная память Первоначально PGP создавался для MS-DOS — примитивной по сегодняшним меркам операционной системы. Но когда он был адаптирован под более комплексные ОС, такие как Microsoft Windows и Macintosh OS, возникла новая проблема. Эта проблема проистекает из
15.1. Виртуальная парикмахерская
15.1. Виртуальная парикмахерская Данный пример посвящен изменению цвета волос. Эта задача является достаточно востребованной и особый интерес может вызвать как у дизайнеров причесок, так и у любителей цифровой фотографии. Действительно, всем интересно увидеть себя или
17.2. Виртуальная косметика
17.2. Виртуальная косметика Макияж умеет делать практически каждая женщина. Именно макияж помогает подчеркнуть достоинства внешности и скрыть ее недостатки. А что если вы не совсем уверены в том, что вам идет, а что нет? Неужели нужно идти в салон и тратить большие деньги на
Первая фаза: Физическая безопасность
Первая фаза: Физическая безопасность Чтобы начать игру, я должна была надеть костюм и исполнить свою роль. Моей целью было проникнуть в компьютерный зал без получения официального разрешения. Надев костюм, я попала в точку — я выглядела как своя.Мария предложила мне
СОФТЕРРА: Память на лица, или Лица на память
СОФТЕРРА: Память на лица, или Лица на память Автор: Алексей КлимовВышла девятая версия ACDSee. Судя по объему нововведений, это не «Девятый вал» Айвазовского [Иван Айвазовский, «Девятый вал». 1850 г] и даже не «9 рота» Бондарчука [Федор Бондарчук, «9 рота». 2005 г]. Поэтому в обзоре
Физическая топология
Физическая топология Система PKI, помимо выполнения целого ряда функций — выпуска сертификатов, генерации ключей, управления безопасностью, аутентификации, восстановления данных, — должна обеспечивать интеграцию с внешними системами. PKI необходимо взаимодействовать с