Сегментация памяти
Сегментация памяти — это операционной системы метод управления памятью позволяющий разделить компьютера , основную память на сегменты или разделы . В компьютерной системе, использующей сегментацию, ссылка на ячейку памяти включает в себя значение, идентифицирующее сегмент, и смещение (ячейку памяти) внутри этого сегмента. Сегменты или разделы также используются в объектных файлах скомпилированных программ, когда они связаны вместе в образ программы и когда образ загружается в память.
Сегменты обычно соответствуют естественным подразделениям программы, таким как отдельные процедуры или таблицы данных. [1] поэтому сегментация обычно более заметна программисту, чем просто разбиение на страницы . [2] Сегменты могут быть созданы для программных модулей или для классов использования памяти, таких как сегменты кода и сегменты данных . [3] Определенные сегменты могут использоваться совместно между программами. [1] [2]
Сегментация изначально была изобретена как метод, с помощью которого системное программное обеспечение могло изолировать программные процессы ( задачи ) и данные, которые они используют. Он был предназначен для повышения надежности систем, выполняющих несколько процессов одновременно. [4]
Аппаратная реализация
[ редактировать ]В системе, использующей сегментацию, адреса памяти компьютера состоят из идентификатора сегмента и смещения внутри сегмента. [3] Аппаратный блок управления памятью (MMU) отвечает за преобразование сегмента и смещения в физический адрес , а также за выполнение проверок, чтобы убедиться, что преобразование может быть выполнено и что ссылка на этот сегмент и смещение разрешена.
Каждый сегмент имеет длину и набор разрешений (например, чтение , запись , выполнение ), связанных с ним. [3] Процессу разрешено делать ссылку на сегмент только в том случае , если тип ссылки разрешен разрешениями и если смещение внутри сегмента находится в диапазоне, заданном длиной сегмента. В противном случае аппаратное исключение , такое как ошибка сегментации возникает .
Сегменты также могут использоваться для реализации виртуальной памяти . В этом случае с каждым сегментом связан флаг, указывающий, присутствует он в основной памяти или нет. Если осуществляется доступ к сегменту, которого нет в основной памяти, возникает исключение, и операционная система считывает сегмент в память из вторичного хранилища.
Сегментация — один из методов реализации защиты памяти . [5] Пейджинг — это другое, и их можно комбинировать. Размер сегмента памяти обычно не фиксирован и может составлять всего один байт . [6]
Сегментация была реализована несколькими способами на различном оборудовании, с подкачкой или без нее. Intel Сегментация памяти x86 не подходит ни для одной из моделей и обсуждается отдельно ниже, а также более подробно в отдельной статье.
Сегментация без пейджинга
[ редактировать ]С каждым сегментом связана информация, указывающая, где сегмент находится в памяти — база сегмента . Когда программа ссылается на ячейку памяти, к базе сегмента добавляется смещение для генерации адреса физической памяти.
Реализация виртуальной памяти в системе с использованием сегментации без подкачки требует, чтобы целые сегменты переключались между основной и вторичной памятью. Когда сегмент заменяется, операционная система должна выделить достаточно непрерывной свободной памяти для хранения всего сегмента. Часто фрагментация памяти возникает, если непрерывной памяти недостаточно, хотя в целом ее может быть достаточно.
Сегментация с пейджингом
[ редактировать ]Вместо местоположения в памяти информация о сегменте включает в себя адрес таблицы страниц для сегмента. Когда программа ссылается на ячейку памяти, смещение преобразуется в адрес памяти с использованием таблицы страниц. Сегмент можно расширить, выделив еще одну страницу памяти и добавив ее в таблицу страниц сегмента.
Реализация виртуальной памяти в системе с использованием сегментации с подкачкой обычно перемещает только отдельные страницы вперед и назад между основной памятью и вторичной памятью, аналогично страничной несегментированной системе. Страницы сегмента могут располагаться в любом месте основной памяти и не обязательно должны быть смежными. Обычно это приводит к уменьшению объема ввода/вывода между основным и дополнительным хранилищем и уменьшению фрагментации памяти.
История
[ редактировать ]Компьютер Burroughs Corporation B5000 был одним из первых, реализовавших сегментацию, и «возможно, первым коммерческим компьютером, обеспечивающим виртуальную память». [7] на основе сегментации. B5000 оснащен таблицей информации о сегментах, называемой справочной таблицей программ (PRT), которая используется для указания того, находится ли соответствующий сегмент в основной памяти, для сохранения базового адреса и размера сегмента. [8] Более поздний компьютер B6500 также реализовал сегментацию; версия его архитектуры до сих пор используется на серверах Unisys ClearPath Libra. [ нужна ссылка ]
Компьютер GE 645 , модификация GE-635 с добавленной поддержкой сегментации и пейджинга, был разработан в 1964 году для поддержки Multics .
Intel iAPX 432 , [9] начатая в 1975 году, была предпринята попытка реализовать настоящую сегментированную архитектуру с защитой памяти на микропроцессоре.
Версия 960MX процессоров Intel i960 поддерживала инструкции загрузки и сохранения, при этом источник или место назначения являлись «дескриптором доступа» для объекта и смещением в объекте, при этом дескриптор доступа находился в 32-битном регистре и со смещением. вычисляется на основе базового смещения в следующем регистре и дополнительного смещения и, необязательно, индексного регистра, указанного в инструкции. Дескриптор доступа содержит биты разрешения и 26-битный индекс объекта; Индекс объекта — это индекс в таблице дескрипторов объектов, указывающий тип объекта, длину объекта и физический адрес для данных объекта, таблицу страниц для объекта или таблицу страниц верхнего уровня для двухуровневого таблица страниц объекта в зависимости от типа объекта. [10]
Prime , Stratus , Apollo , IBM System/38 и IBM AS/400 (включая IBM i Компьютеры ) используют сегментацию памяти.
Примеры
[ редактировать ]Архитектура больших систем Берроуза
[ редактировать ]![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( январь 2024 г. ) |
Б5000
[ редактировать ]Дескрипторы в B5000 , B5500 и B5700 находятся либо в справочной таблице программ (PRT), либо в стеке и содержат бит присутствия , указывающий, присутствуют ли данные в памяти. Существуют отдельные дескрипторы данных и программ.
Б6500
[ редактировать ]Мультикс-архитектуры
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( январь 2024 г. ) |
Архитектура S/370
[ редактировать ]В IBM System/370 моделях [а] с виртуальным хранилищем [11] [12] (DAT) и 24-битные адреса, регистр управления 0 определяет размер сегмента 64 КиБ или 1 МиБ и размер страницы 2 КиБ или 4 КиБ; Регистр управления 1 содержит указатель таблицы сегментов (STD), который определяет длину и реальный адрес таблицы сегментов. Каждая запись таблицы сегментов содержит местоположение таблицы страниц, длину таблицы страниц и недопустимый бит. Позже IBM увеличила размер адреса до 31 бита и добавила два бита к записям таблицы сегментов:
- Бит защиты сегмента
- Сегмент доступен только для чтения
- Бит общего сегмента
- Сегмент распределяется между адресными пространствами; этот бит установлен для оптимизации использования TLB
Каждая из реализаций DAT от IBM включает в себя кэш трансляции, который IBM назвала буфером перевода (TLB). Хотя в разделе «Принципы работы» TLB рассматривается в общих чертах, детали не являются частью архитектуры и варьируются от модели к модели.
Начиная с процессорных комплексов 3031, 3032 и 3033 , IBM предложила функцию под названием Dual-address Space. [12] : 5-13–5-17, двухадресное управление пространством : 5-17–5-20, Механизмы авторизации DAS : 5-21–5-24, Перевод номера ПК [13] (DAS), который позволяет программе переключаться между таблицами трансляции для двух адресных пространств, называемых первичным адресным пространством (CR1) и вторичным адресным пространством (CR7), а также перемещать данные между адресными пространствами, на которые распространяется ключ защиты. DAS поддерживает таблицу трансляции для преобразования 16-битного номера адресного пространства (ASN) в STD с привилегированными инструкциями для загрузки STD в CR1 (первичный) или CR7 (вторичный).
архитектура x86
[ редактировать ]Ранние x86 процессоры , начиная с Intel 8086 , обеспечивали грубую сегментацию памяти и не имели защиты памяти . (Каждый байт каждого сегмента всегда доступен любой программе.) 16-битные сегментные регистры позволяют хранить 65 536 сегментов; каждый сегмент начинается с фиксированного смещения, равного 16-кратному номеру сегмента; степень детализации начального адреса сегмента составляет 16 байт. Каждый сегмент предоставляет доступ для чтения и записи к 64 КиБ (65 536 байт) адресного пространства (этот предел устанавливается 16-битными регистрами PC и SP; процессор не выполняет проверку границ). Смещение+адрес, превышающий 0xFFFFF, преобразуется в 0x00000. Каждый сегмент размером 64 КиБ перекрывает следующие 4095 сегментов; каждый физический адрес может быть обозначен 4096 парами сегмент-смещение. Эта схема может адресовать только 1 МБ (1024 КиБ) физической памяти (и ввода-вывода, отображаемого в памяти). (Дополнительное оборудование расширенной памяти может добавлять память с переключением банков под управлением программного обеспечения.) Intel задним числом назвала единственный рабочий режим этих моделей процессоров x86 « реальным режимом ».
В процессорах Intel 80286 и более поздних версиях добавлен « защищенный режим 286 », который сохраняет 16-битную адресацию, а также добавляет сегментацию (без подкачки) и посегментную защиту памяти. В целях обратной совместимости все процессоры x86 запускаются в «реальном режиме» с одинаковыми фиксированными перекрывающимися сегментами размером 64 КиБ, без защиты памяти, физическим адресным пространством только 1 МБ и некоторыми тонкими различиями ( большая область памяти , нереальный режим ). Чтобы использовать полное 24-битное (16 МБ) физическое адресное пространство и расширенные функции MMU , процессор 80286 или более поздней версии должен быть переведен в «защищенный режим» с помощью программного обеспечения, обычно операционной системы или расширителя DOS . Если программа не использует сегментные регистры или помещает в них только значения, полученные от операционной системы, то идентичный код может выполняться в реальном или защищенном режиме, но большая часть программного обеспечения реального режима вычисляет новые значения для сегментных регистров. нарушение этой совместимости.
В процессорах Intel i386 и более поздних версиях добавлен « защищенный режим 386 », который использует 32-битную адресацию, сохраняет сегментацию и добавляет подкачку памяти . В этих процессорах таблица сегментов не указывает на таблицу страниц сегмента, а содержит адрес сегмента в линейной памяти . Когда подкачка включена, адреса в линейной памяти затем сопоставляются с физическими адресами с использованием отдельной таблицы страниц. Большинство операционных систем не использовали возможность сегментации, предпочитая всегда сохранять базовый адрес во всех сегментных регистрах равным 0 и обеспечивать постраничную защиту памяти и подкачку, используя только подкачку. Некоторые используют регистр CS для обеспечения защиты исполняемого пространства на процессорах, не имеющих бита NX , или используют регистры FS или GS для доступа к локальному хранилищу потоков. [14] [15]
Архитектура x86-64 не поддерживает сегментацию в « длинном режиме » (64-битном режиме). [16] Четыре сегментных регистра: CS, SS, DS и ES принудительно устанавливаются в 0, а предел — в 2. 64 . Сегментные регистры FS и GS по-прежнему могут иметь ненулевой базовый адрес. Это позволяет операционным системам использовать эти сегменты для специальных целей, таких как локальное хранилище потоков. [14] [15]
См. также
[ редактировать ]- BSS-сегмент
- Сегмент данных
- Плоская модель памяти
- Управление памятью (операционные системы)
- Ошибка сегментации
- Виртуальное адресное пространство
- Виртуальная память
- сегментация памяти x86
Примечания
[ редактировать ]- ^ Модели 115, 125, 135, 138, 145, 148, 155 II, 158, 165 II и 168.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Холт, Анатоль В. (1961). «Организация программы и ведение учета для динамического распределения памяти» . Коммуникации АКМ . 4 (10): 422–431. дои : 10.1145/366786.366795 . S2CID 18973700 .
- ^ Перейти обратно: а б Ингландер, Ирв (2003). Архитектура компьютерного оборудования и системного программного обеспечения (3-е изд.). Уайли. ISBN 0-471-07325-3 .
- ^ Перейти обратно: а б с Глейзер, Эдвард Л.; Кулер, Джон Ф.; Оливер, Джорджия (1965). Проектирование системы компьютера для приложений с разделением времени . Осень 1965 г. Объединенная компьютерная конференция.
- ^ «1.2 Управление памятью». Технология AMD64 Руководство программиста по архитектуре AMD64, том 2: Системное программирование (PDF) . Том. 2. Передовые микроустройства. 2018. с. 5.
- ^ Арпачи-Дюссо, Ремзи Х.; Арпачи-Дюссо, Андреа К. (2014). «Сегментация» (PDF) . Операционные системы: три простых элемента . Книги Арпачи-Дюссо.
- ^ Руководство разработчика программного обеспечения для архитектур Intel 64 и IA-32, том 3 (3A, 3B и 3C): Руководство по системному программированию (PDF) . Корпорация Интел. 2012. стр. 3–13.
- ^ Майер, Аластер Дж. В. «Архитектура Burroughs B5000 - 20 лет спустя и все еще опережает время?» . Проверено 15 марта 2012 г.
- ^ Хейс, Джон П. (1978). Компьютерная архитектура и организация . МакГроу-Хилл. п. 371. ИСБН 0-07-027363-4 .
- ^ Введение в архитектуру IAPX 432 (PDF) . Корпорация Интел. 1981. с. 78.
- ^ Справочное руководство по архитектуре ЦП BiiN (PDF) . БииН. Июль 1998 года.
- ^ «Динамический перевод адресов» (PDF) . Принципы работы IBM System/370 (PDF) . Системы (Четвертое изд.). ИБМ . Сентябрь 1974 г., стр. 57–68. ГА22-7000-4.
- ^ Перейти обратно: а б «Динамический перевод адресов». Принципы работы IBM System/370 (одиннадцатое изд.). ИБМ. Сентябрь 1987 г., стр. 3-20–3-38. ГА22-7000-10.
- ^ «Адресные пространства» (PDF) . Принципы работы IBM System/370 с расширенной архитектурой (PDF) (второе изд.). ИБМ. Январь 1987 г., стр. 3-13–3-14. SA22-7085-1.
- ^ Перейти обратно: а б Мэтт Питрек (май 2006 г.). «Все, что вам нужно знать, чтобы начать программировать 64-битные системы Windows» . Майкрософт . Проверено 18 апреля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Дреппер, Ульрих (22 августа 2013 г.). «Обработка ELF для локального хранилища потоков» (PDF) .
- ^ Технология AMD64 Руководство программиста по архитектуре AMD64, том 2: Системное программирование (PDF) . Том. 2. Передовые микроустройства. 2018.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- IA-32 Руководство разработчика программного обеспечения для архитектуры Intel, том 3A: Руководство по системному программированию. http://www.intel.com/products/processor/manuals/index.htm .
- Операционные системы: внутреннее устройство и принципы проектирования Уильяма Столлингса. Издатель: Прентис Холл. ISBN 0-13-147954-7 . ISBN 978-0-13-147954-8 .
