Планування ресурсу „Оперативна пам’ять”

Оперативна пам'ять - це важливий ресурс любої обчислювальної машини, оскільки без неї неможливе виконання ні однієї програми. Від вибраних механізмів розподілу пам'яті між виконуючими процесорами дуже сильно залежить і ефективність використання ресурсів системи, і можливості, якими можуть користуватися програмісти при створенні своїх програм. Способи розподілу часу ЦП також сильно впливають і на швидкість виконання окремих обчислень, і на всю ефективність обчислювальної системи.
Отже, ОС виконує такі функції, зв'язані з управлінням задачами:
• Створення та знищення задач;
• Формування процесів і диспетчеризація задач;
• Синхронізація задач.
Задача планування процесів виникла дуже давно - в перших пакетних ОС при планувані пакетів задач, які повинні були виконуватись на комп'ютері і оптимально використовувати його ресурс. В наш час актуальність цієї задачі не така велика. На перший план вже дуже давно вийшли задачі динамічного планування.
1.1. Управління пам'яттю
Пам’ять є важливим ресурсом, який вимагає управління зі сторони мультимедійної ОС. Особлива роль пам’яті пояснюється тим, що процесор може виконувати інструкції програми тільки в тому випадку, якщо вона знаходиться в пам’яті. Пам'ять розподіляється, як між модулями прикладної програми, так і між модулями самої ОС.
В перших ОС управління пам’яттю зводилося просто до завантаження програми і її даних із деякого зовнішнього носія в пам'ять. З появою мультипрограмних ОС функції ОС розширились. Вони полягають в розподілі наявної пам’яті між декількома одночасно виконуваними програмами.
Функції ОС по управлінню пам’яттю
1. Відстежування вільної і зайнятої пам’яті.
2. Виділення пам’яті процесам і звільнення пам’яті після завершення процесу.
3. Виштовхування кодів і даних процесів із ОП на диск, коли розміри ОП недостатні для розміщення в ній всіх процесів і повернення процесів в ОП, коли в ній достатньо місця. Ї
4. Наладка адрес програми на конкретну область фізичної пам’яті.
5. Дефрагментація пам’яті.
6. Захист пам’яті заключається в тому, щоб не дозволити виконуючому процесу записувати або зчитувати дані із пам’яті призначені іншому процесу. Ця функція, як правило реалізується програмними модулями ОС в тісній взаємодії з апаратними засобами.
Розподілу підлягає вся ОП, не зайнята ОС. Звичайно ОС розташовується в самих молодших адресах, однак може займати і самі старші адреси.
ЗП ПК, чи пам'ять, призначені для збереження інформації. Основні операції, виконувані запам'ятовуючими пристроями, - запис і зчитування інформації, що у сукупності називаються звертанням до пам'яті . Найбільш важливі характеристики пам'яті - її об’єм (обсяг збереженої інформації) і час доступу.
На виконання операцій перезарядження іде визначений час, через що швидкість роботи динамічної пам'яті знижується. Крім того, час збереження заряду конденсатора обмежено, тому щоб збережена інформація не спотворювався, необхідно її періодичне перевстановлення. Воно виконується в спеціальних циклах регенерації (Refreshcycle). Час доступу до динамічної пам'яті приблизно в 3-4 рази менше такту роботи ЦП.
Існує пам'ять статичного типу, у якій інформація зберігається на статичних тригерах. Для статичної пам'яті не потрібні цикли регенерації й операції перезарядження. Час доступу до статичної пам'яті істотно менше, ніж до динамічної пам'яті. Швидкодія використовуваної ОП багато в чому визначає швидкість роботи процесора і впливає на продуктивність усієї системи. Однак для реалізації одного запам'ятовуючого елемента динамічної пам'яті потрібно 1-2 транзистора, для статичної - 4-6 транзисторів. Відповідно вартість статичної пам'яті істотно вище вартості динамічної пам'яті, а виконання ОЗП на елементах статичної пам'яті приводить до значного подорожчання ПК.
Тому в сучасних ПК звичайно використовується ОП динамічного типу, а для підвищення продуктивності системи використовується зверхоперативна, чи кеш -пам'ять, виконана на елементах статичного типу. У цьому випадку блок даних, оброблюваних процесором, розміщається в кеш-пам'яті, час звертання до якої порівнянно з тактом роботи процесора. Звертання до ОП відбуваються тільки тоді, коли потрібні дані не містяться в кеш-пам'яті. Таким чином, використання кеш-пам'яті дає можливість погодити по швидкості роботу процесора й ОП на елементах динамічного типу.
Конструктивно ОП виконується в даний час у виді SIMM-корпусів з однорядним розташуванням контактів (S ingleI nlineM emoryM odule). Для підключення до системної плати на них мається спеціальне друковане рознімання. Останнім часом з'явилися нові корпуси пам'яті DIММ (Dual I n line M emory M odule) з дуже малим часом звертання.
Існують різні типи модулів пам'яті: FРМ DRАМ - зі швидким посторінковим доступом, ЕDО DRАМ - зі значно меншим часом завантаження даних у порівнянні з FРМ DRАМ, SDRАМ (S ynchronousD ynamicRAM) - новий тип пам'яті, що приходить на зміну FРМ DRАМ і EDODRАМ, він дозволяє працювати зі швидкістю системной шини. Для різних системних плат передбачена можливість використання модулів пам'яті того чи іншого типу.
У сучасних ПК мається, як правило, постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП), чи ROM (R eadO nlyM emory). Найважливішою функцією цієї пам'яті є збереження ВIOS (B asicI nputO utputS ystem) - базова система в/в). ВIOS забезпечує інваріантість програмних засобів до архітектури системної плати і містить необхідний набір програм в/в, що забезпечують роботу периферійних пристроїв.
Крім програм в/в в ПЗП містяться програма тестування Р0SТ (P owerO nS elfT est) і програма початкового завантажника, що виконує функцію завантаження ОС з диска.
Звичайно ВIOS зберігається в мікросхемах так званогомасочного ПЗП: інформація в них записується один раз при виготовленні мікросхем.
Крім того, у ПК є пам'ять з незалежним живленням (від батарейки), названа СМ0SRАМ (C omplementaryM etalO xideS emiconductor), обсягом 256 байт. Ця пам'ять не відображається в адресному просторі мікропроцесора, а служить для збереження даних про поточні параметри (параметри твердих дисків, ОП, мікропроцесора показання годин і т.д.). При необхідності вміст СМ0S RАМ можна скорегувати.
Функціями ОС по керуванню пам'яттю є: відстеження вільної і зайнятої пам'яті, виділення пам'яті процесам і звільнення пам'яті при завершенні процесів, виштовхування процесів з ОП на диск, коли розміри основної пам'яті не достатні для розміщення в ній усіх процесів, і повернення в ОП, коли в ній звільняється місце, а також настроювання адрес програми на конкретну область фізичної пам'яті.
1. 2. Типи адрес
Для ідентифікації змінних і команд використовуються символьні імена (мітки), ВА і фізичні адреси (малюнок 16).
Символьні іме на надає користувач при написанні програми алгоритмічною мовою чи на асемблері.
ВА виробляє транслятор, що переводить програму на машинну мову. Тому що під час трансляції в загальному випадку не відомо, у яке місце ОП буде завантажена програма, то транслятор присвоює змінним і командам віртуальні (умовні) адреси, звичайно вважаючи за замовчуванням, що програма буде розміщена, починаючи з нульової адреси. Сукупність ВА процесу називається ВАП. Кожен процес має власний ВАП. Максимальний розмір ВАП обмежується розрядністю адреси, властивій даній архітектурі комп'ютера, і, як правило, не збігається з об’ємом фізичної пам'яті, наявної в комп'ютері.
Символьні імена
Ідентифікатори перемінних в
програмі на алгоритмічній мові
Транслятор
Віртуальні адреса
Віртуальні адреса які виробляються
транслятором

Фізичні адреса
1) Завантажувач що переміщається
статистичне перетворення
2) Динамічне перетворення
апаратними засобами
Номер комірок фізичної пам’яті
Рис. 16. Типи адрес
Фізичні адреси відповідають номерам комірок ОП, де в дійсності розташовані чи будуть розташовані змінні і команди. Перехід від ВА до фізичних може здійснюватися двома способами. У першому випадку заміну ВА на фізичні робить спеціальна системна програма – пересуваючий завантажник. Пересуваючий завантажник, на підставі наявних у нього вихідних даних про початкову адресу фізичної пам'яті, у яку маєбути завантажена програма, і інформації, наданої транслятором про адресно-залежні константи програми, виконує завантаження програми, сполучаючи її з заміною ВА фізичними.
У деяких випадках (звичайно в спеціалізованих системах), коли заздалегідь точно відомо, у якій області ОП буде виконуватися програма, транслятор видає код, що виконується, відразу у фізичних адресах.
1.3. Пам'ять і відображення
Якщо не брати до уваги програмування машинною мовою, то можна сказати, що програміст звертається до пам'яті за допомогою деякого набору логічних імен, що найчастіше є символьними, а не числовими і для якого відсутнє відношення порядку. Іншими словами, у загальному випадку безліч змінних неупорядкована, хоча окремі змінні і можуть мати часткову упорядкованість (наприклад, елементи масиву). Імена змінних і вхідних точок програмних модулів складають простір імен.
З іншого боку, існує поняття фізичної ОП, власне з який і працює процесор, витягаючи з її команди і дані і поміщаючи в неї результати обчислень. Фізична пам'ять являє собою упорядковану безліч осередків, і усі вони пронумеровані, тобто до кожної з них можна звернутися, указавши її порядковий номер (адреса). Кількість осередків фізичної пам'яті обмежене і фіксовано.
Системне програмне забезпечення повинне зв'язати кожне зазначене користувачем ім'я з фізичною коміркою пам'яті, тобто здійснити відображення простору імен на фізичну пам'ять комп'ютера. У загальному випадку це відображення здійснюється в два етапи (рис. 17): спочатку системою програмування, а потім ОС (за допомогою спеціальних програмних модулів керування пам'яттю і використання відповідних апаратних засобів обчислювальної системи). Між цими етапами звертання до пам'яті мають форму віртуальну чи логічну адреси. При цьому можна сказати, що безліч усіх припустимих значень ВА для деякої програми визначає її ВАП чи ВП. ВАП програми насамперед залежить від архітектури процесора і від системи програмування і практично не залежить від обсягу реальної фізичної пам'яті, встановленої в комп'ютер. Можна ще сказати, що адреси команд і змінних у готовій машинній програмі, підготовленої до виконання системою програмування, саме і є ВА.

Логічне (символьне) ім’я
Простір імен програми
Віртуальний адрес
Комірка оперативної пам’яті
(фізичний адрес)
Віртуальний адресний простір
Фізична пам’ять комп’ютера
Рис. 17. Пам'ять і відображення
Одним з окремих випадків відображення простору імен на фізичну пам'ять є тотожність ВАП фізичної пам'яті. При цьому немає необхідності здійснювати друге відображення. У даному випадку говорять, що система програмування генерує абсолютну подвійну програму; у цій програмі всі подвійну адреси такі, що програма може виконуватися тільки в тому випадку, якщо її ВА будуть точно відповідати фізичним. Частина програмних модулів будь-якої ОС обов'язково повинна бути абсолютними подвійними програмами. Ці програми розміщаються по фіксованих адресах і з їхньою допомогою вже можна згодом реалізовувати розміщення інших програм, підготовлених системою програмування таким чином, що вони можуть працювати на різних фізичних адресах (тобто на тих адресах, на яких їх розмістить ОС).
Іншою часткою випадку цієї загальної схеми трансляції адресного простору є тотожність ВАП вихідному простору імен. Тут уже відображення виконується самою ОС, що під час виконання використовує таблицю символьних імен. Така схема відображення використовується надзвичайно рідко, тому що відображення імен на адреси необхідно виконувати для кожного входження імені (кожного нового імені) і особливо багато часу витрачається на кваліфікацію імен.
Можливі і проміжні варіанти. У найпростішому випадку транслятор-компілятор генерує відносні адреси, що, по суті, є ВА з наступним настроюванням програми на один з безупинних розділів. Друге відображення здійснюється завантажником. Після завантаження програми ВА губиться, і доступ виконується безпосередньо до фізичних осередків. Більш ефективне рішення досягається в тому випадку, коли транслятор виробляє як ВА, відносну адресу й інформацію про початкову адресу, а процесор, використовуючи підготовлювану ОС адресну інформацію, виконує друге відображення не один раз (при завантаженні програми), а при кожнім звертанні до пам'яті.
Термін ВП фактично відноситься до систем, що зберігають ВА під час виконання. Тому що друге відображення здійснюється в процесі виконання задачі, то адреси фізичних осередків можуть змінюватися. При правильному застосуванні такі зміни можуть поліпшити використання пам'яті, позбавивши програміста від деталей керування нею, і навіть збільшити надійність обчислень.
Якщо розглядати загальну схему двохетапного відображення адрес, то з позиції співвідношення обсягів згаданих адресних просторів можна відзначити наявність наступних трьох ситуацій:
- обсяг ВАП програми Vv менше обсягу фізичної пам'яті Vp ;
- Vv = Vp;
-Vv > Vp .
Перша ситуація, при якій Vv Vp зустрічається навіть у ПК, тобто в найпоширеніших і недорогих комп'ютерах. Тепер це найпоширеніша ситуація, і для неї мається кілька методів розподілу пам'яті, що відрізняються як складністю, так і ефективністю.
1.4. Свопінг
Свопінг – алгоритм реалізації віртуальної пам'яті. Йогоможна розбити на три частини: керування простором на пристроївивантаження, вивантаженняпроцесівзосновноїпам'яті і підкачуванняпроцесів в основнупам'ять. Як пристрійвивантаженнявикористовуютьрозділ на пристрої типу твердого (swap-partition) чидисковий файл (swap-file) на такому пристрої.
Свопінг є різновидом ВП.
На рис.18 показаний графік залежності коефіцієнта завантаження процесора в залежності від числа одночасно виконуваних процесів і частки часу, проведеного цими процесами в стані чекання в/в.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию