Память без абстракции (физическая память)

Физическая и логическая память компьютера

Иерархия памяти компьютера

Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня: основную (главную, оперативную, физическую) и вторичную (внешнюю) память.Основная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Процессор извлекает команду из основной памяти, декодирует и выполняет ее. Для выполнения команды могут потребоваться обращения еще к нескольким ячейкам основной памяти. Обычно основная память изготавливается с применением полупроводниковых технологий и теряет свое содержимое при отключении питания. Основная память необходима для реализации вычислений. Она входит в архитектуру процессора. Вторичную память (это главным образом диски) также можно рассматривать как одномерное линейное адресное пространство, состоящее из последовательности байтов. В отличие от оперативной памяти, она является энергонезависимой, имеет существенно большую ёмкость и используется в качестве расширения основной памяти.

Эту схему можно дополнить еще несколькими промежуточными уровнями, как показано на рисунке Разновидности памяти могут быть объединены в иерархию по убыванию времени доступа, возрастанию цены и увеличению емкости

Рис. 41 иерархия памяти

Многоуровневую схему используют следующим образом. Информация, которая находится в памяти верхнего уровня, обычно хранится также на уровнях ниже. Если процессор не обнаруживает нужную информацию на i-м уровне, он начинает искать ее на более низких уровнях. Когда нужная информация найдена, она переносится в более верхние (быстрые) уровни. Управлением иерархией памяти занимается специальная программа – менеджер памяти. Менеджер памяти отслеживает размер выделяемой памяти процессам, выделяет память нуждающимся в ней процессам и очищает память после завершения работы процесса. Кроме этого он активно участвует в планировании работы процессов.

Свойство локальности данных

Оказывается, при таком способе организации по мере снижения скорости доступа к уровню памяти снижается также и частота обращений к нему. Ключевую роль здесь играет свойство реальных программ, в течение ограниченного отрезка времени способных работать с небольшим набором адресов памяти. Это эмпирически наблюдаемое свойство известно как принцип локальности или локализации обращений. Свойство локальности (соседние в пространстве и времени объекты характеризуются похожими свойствами) присуще не только функционированию ОС, но и природе вообще. В случае ОС свойство локальности объяснимо, если учесть, как пишутся программы и как хранятся данные, то есть обычно в течение какого-то отрезка времени ограниченный фрагмент кода работает с ограниченным набором данных. Эту часть кода и данных удается разместить в памяти с быстрым доступом. В результате реальное время доступа к памяти определяется временем доступа к верхним уровням, что и обусловливает эффективность использования иерархической схемы. Надо сказать, что описываемая организация вычислительной системы во многом имитирует деятельность человеческого мозга при переработке информации. Действительно, решая конкретную проблему, человек работает с небольшим объемом информации, храня не относящиеся к делу сведения в своей памяти или во внешней памяти (например, в книгах).

Кэш процессора обычно является частью аппаратуры, поэтому менеджер памяти ОС занимается распределением информации главным образом в основной и внешней памяти компьютера. В некоторых схемах потоки между оперативной и внешней памятью регулируются программистом (см. например, далее оверлейные структуры), однако это связано с затратами времени программиста, так что подобную деятельность стараются возложить на ОС. Адреса в основной памяти, характеризующие реальное расположение данных в физической памяти, называются физическими адресами. Набор физических адресов, с которым работает программа, называют физическим адресным пространством.

Память без абстракции (физическая память)

Ранние ОС персональных компьютеров (такие например, как MSDOS) использовали существующую физическую память компьютера, без какой либо абстракции, поскольку могли работать только с одним процессом. При обращении программы к ячейке памяти (такая команда процессора называлась «регистр-память»), компьютер перемещал её содержимое в регистр процессора. Программист мог оперировать с памятью от 0 до некоторого определенного значения. Каждая вновь запускаемая программа просто стирала содержимой предыдущей программы. В таких условиях создание второго процесса было просто невозможно. ОС как правило размещалась в нижних адресах памяти и имела жесткую границу.

Рис. Три способа организации памяти ОС с физической памятью

Единственный способ запустить несколько задач – организации нескольких потоков в рамках одного процесса. Однако такая модель не позволяет запускать несколько не связанных между собой программ, и требуют довольно сложного программирования, поскольку между протоками будет существовать конкуренция за ресурсы. В настоящий момент физическая адресация работает в бытовых приборах и недорогом электронном оборудовании. В этих устройствах используется ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), которое содержит готовую программу с абсолютной адресацией в физической памяти. К таким же устройствам можно отнести банковские карты. Чип на них генерирует код на запрос банкомата. Эта операция происходит в физической памяти чипа и при наличии специального оборудования может быть считана.