При использовании страничного механизма линейный адрес, полученный в результате сложения базового адреса сегмента и смещения также является логическим адресом, который дополнительно обрабатывается блоком страничной трансляции процессора. В этом случае линейный адрес рассматривается процессором как состоящий из трех частей, показанных на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Трансляция адреса с использованием страничного механизма
Первое поле адреса, с 22 по 31 бит, указывает на элемент каталога таблиц страниц (Page Directory Entry, PDE). Каталог таблиц страниц имеет длину, равную одной странице, и содержит до 1024 указателей на таблицы страниц (page table). Таким образом, первое поле адресует определенную таблицу страниц. Второе поле, занимающее с 12 по 21 бит, указывает на элемент таблицы страниц (Page Table Entry, РТЕ). Таблицы страниц также имеют длину 4 Кбайт, а элементы таблицы адресуют в совокупности 1024 страниц. Другими словами, второе поле адресует определенную страницу. Наконец, смещение на странице определяется третьим полем, занимающим младшие 12 бит линейного адреса. Таким образом, с помощью одного каталога таблиц процесс может адресовать 1024×1024×4096 = 4 Гбайт физической памяти.
На рис. 3.7 показано, как блок страничной адресации процессора транслирует линейный адрес в физический. Процессор использует поле PDE адреса (старшие 10 бит) в качестве индекса в каталоге таблиц. Найденный элемент содержит адрес таблицы страниц. Второе поле линейного адреса, РТЕ, позволяет процессору выбрать нужный элемент таблицы, адресующий физическую страницу. Складывая адрес начала страницы со смещением, хранящимся в третьем поле, процессор получает 32-битный физический адрес.[31]
Каждый элемент таблицы страниц содержит несколько полей (табл. 3.2), описывающих различные характеристики страницы.
Таблица 3.2. Поля РТЕ
P Признак присутствия в оперативной памяти. Доступ к странице, отсутствующей в памяти (P=0) вызывает страничную ошибку, особую ситуацию, о чем процессор информирует ядро, которое обрабатывает ее соответствующим образом. R/W Права только на чтение страницы (R/W=0) или на чтение и запись (R/W=1). U/S Привилегии доступа. Если U/S = 0, только привилегированные задачи (ядро) имеют доступ к адресам страницы. В противном случае, доступ к странице имеют все задачи. Адрес Физический адрес начала страницы (адрес базы).
Адресное пространство процесса
Адресное пространство ядра обычно совпадает с адресным пространством выполняющегося в данный момент процесса. В этом случае говорят, что ядро расположено в том же контексте, что и процесс. Каждый раз, когда процессу передаются вычислительные ресурсы, система восстанавливает контекст задачи этого процесса, включающий значения регистров общего назначения, сегментных регистров, а также указатели на таблицы страниц, отображающие виртуальную память процесса в режиме задачи. При этом системный контекст остается неизменным для всех процессов. Вид адресного пространства процесса представлен на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Адресное пространство в режимах ядра и задачи
Специальный регистр (CR3 для Intel) указывает на расположение каталога таблиц страниц в памяти. В SCO UNIX используется только один каталог, независимо от выполняющегося процесса, таким образом значение регистра CR3 не меняется на протяжении жизни системы. Поскольку ядро (код и данные) является частью выполняющегося процесса, таблицы страниц, отображающие старший 1 Гбайт виртуальной памяти, принадлежащей ядру системы, не изменяются при переключении между процессами. Для отображения ядра используются старшие 256 элементов каталога.
При переключении между процессами, однако, изменяется адресное пространство режима задачи, что вызывает необходимость изменения оставшихся 768 элементов каталога. В совокупности они отображают 3 Гбайт виртуального адресного пространства процесса в режиме задачи. Таким образом, при смене процесса адресное пространство нового процесса становится видимым (отображаемым), в то время как адресное пространство предыдущего процесса является недоступным[32].
Формат виртуальной памяти процесса в режиме задачи зависит, в первую очередь, от типа исполняемого файла, образом которого является процесс. На рис. 3.9 изображено расположение различных сегментов процесса в виртуальной памяти для двух уже рассмотренных нами форматов исполняемых файлов — COFF и ELF. Заметим, что независимо от формата исполняемого файла виртуальные адреса процесса не могут выходить за пределы 3 Гбайт.
Рис. 3.9. Виртуальная память процесса в режиме задачи
Для защиты виртуальной памяти процесса от модификации другими процессами прикладные задачи не могут менять заданное отображение. Поскольку ядро системы выполняется на привилегированном уровне, оно может управлять отображением как собственного адресного пространства, так и адресного пространства процесса.
Управление памятью процесса
Можно сказать, что каждый процесс в операционной системе UNIX выполняется на собственной виртуальной вычислительной машине, где все ресурсы принадлежат исключительно данному процессу. Подсистема управления памятью обеспечивает такую иллюзию в отношении физической памяти.
Как уже говорилось, аппаратная поддержка страничного механизма имеет существенное значение для реализации виртуальной памяти. Однако при этом также требуется участие операционной системы. Можно перечислить ряд операций, за выполнение которых отвечает сама операционная система:
□ Размещение в памяти каталога страниц и таблиц страниц; инициализация регистра — указателя на каталог таблиц страниц (для Intel — CR3) (в системах, использующих несколько каталогов страниц, каждый процесс хранит в u-area значение этого регистра; в этом случае инициализацию указателя необходимо проводить при каждом переключении контекста); инициализация каталога страниц.
□ Установка отображения путем записи соответствующих значений в таблицы страниц.
□ Обработка страничных ошибок.
□ Управление сверхоперативным кэшем.
□ Обеспечение обмена страницами между оперативной и вторичной памятью.
В реализации перечисленных функций существенную роль играют структуры данных, обеспечивающие удобное представление адресного пространства процесса для операционной системы. Фактический формат этих структур существенным образом зависит от аппаратной архитектуры и версии UNIX, поэтому в следующих разделах для иллюстрации тех или иных положений также использована операционная система SCO UNIX.
Области
В SCO UNIX адресное пространство процесса разделено на несколько участков, называемых областями (region). Область представляет собой непрерывный участок виртуального адресного пространства процесса, который рассматривается ядром системы как отдельный объект, разделяемый или защищенный от постороннего доступа. Область может использоваться для хранения данных различных типов, включая код, данные, разделяемую память, сегменты библиотек и отображаемые в память файлы. Каждая активная область представлена соответствующей структурой данных ядра и служит основой для управления памятью процесса.
Каждая область представлена собственным сегментом памяти. В совокупности со страничным механизмом организации виртуальной памяти такой подход предоставляет ядру системы большие возможности по эффективному управлению виртуальной памятью процесса.
Области могут совместно использоваться несколькими процессами, при этом ядру нет необходимости создавать дополнительные копии, нужно лишь задать требуемое отображение (виртуальные адреса области у различных процессов могут не совпадать). В качестве примеров разделяемых областей можно привести разделяемую память, разделяемые библиотеки или отображаемые в память файлы. Часто код программы совместно используется несколькими родственными процессами. Информация о каждой активной области хранится ядром в структуре данных region.
Поскольку одна и та же область может использоваться несколькими процессами, для каждого процесса ядро создает связанный список структур pregion (per process region), которые в свою очередь адресуют области, используемые процессом. Указатель на список структур pregion для каждого процесса находится в записи таблицы процессов — структуре proc.
