Оперативна пам'ять

Таким чином, можна констатувати сумну закономірність - чим більше обсяг пристрою, тим менш швидкодіючим воно є. Більш того, вартість збереження даних у розрахунку на один біт також збільшується з ростом швидкодії пристроїв. Однак користувачу хотілося б мати і недорогу, і швидку пам'ять.

6.1 Кеш-пам'ять

Кеш-пам'ять - це спосіб організації спільного функціонування двох типів ЗП, що відрізняються часом доступу і вартістю збереження даних, що дозволяє зменшити середній час доступу до даних за рахунок динамічного копіювання в «швидкий» ЗП найбільше часто використовуваної інформації з «повільного» ЗП.

Кеш-пам'яттю часто називають не тільки спосіб організації роботи двох типів запам'ятовуючих пристроїв, але й один із пристроїв - «швидкий» ЗП. Воно коштує дорожче і, як правило, має порівняно невеликий обсяг. Важливо, що механізм кеш-пам'яті є прозорим для користувача, що не повинний повідомляти ніякої інформації про інтенсивність використання даних і не повинний ніяк брати участь у переміщенні даних із ЗП одного типу в ЗП іншого типу, усе це робиться автоматично системними засобами.

Розглянемо окремий випадок використання кеш-пам'яті для зменшення середнього часу доступу до даних, що зберігається в ОП. Для цього між процесором і ОП міститься швидкий ЗП, названий просто кеш-пам'яттю (мал. 28). У якості такого може бути використана, наприклад, асоціативна пам'ять. Уміст кеш-пам'яті являє собою сукупність записів про всіх завантажених у неї елементах даних. Кожен запис про елемент даних містить у собі адреса, що цей елемент даних має в ОП, і керуючу інформацію: ознака модифікації й ознака звертання до даних за деякий останній період часу.

6.2 Принцип кешування пам'яті

Кешування - це універсальний метод, придатний для прискорення доступу до ОП, до диска і до інших видів ЗП. Якщо кешування застосовується для зменшення середнього часу доступу до ОП, то в якості кеша використовують швидкодіючу статичну пам'ять. Якщо кешування використовується системою в/в для прискорення доступу до даних, що зберігається на диску, то в цьому випадку роль кеш-пам'яті виконують буфери в ОП, у яких осідають найбільше активно використовувані дані. ВП також можна вважати одним з варіантів реалізації принципу кешувания даних, при якому ОП виступає в ролі кеша стосовно зовнішньої пам'яті - жорсткому диску.

У системах, оснащених кеш-пам'яттю, кожен запит до ОП виконується у відповідності з наступним алгоритмом:

1. Проглядається вміст кеш-пам'яті з метою визначення, чи не знаходяться потрібні дані в кеш-пам'яті; кеш-пам'ять не є адресованою, тому пошук потрібних даних здійснюється по вмісту - значенню поля чи «адресу в ОП», взятому з запиту.

2. Якщо дані виявляються в кеш-пам'яті, то вони зчитуються з її, і результат передається в процесор.

3. Якщо потрібних даних, то вони разом зі своєю адресою копіюються з ОП в кеш-пам'ять, і результат виконання запиту передається в процесор. При копіюванні даних може виявитися, що в кеш-пам'яті немає вільного місця, тоді вибираються дані, до яких в останній період було найменше звертань, для витиснення з кеш-пам'яті. Якщо витіснені дані були модифіковані за час перебування в кеш-пам'яті, то вони листуються в ОП. Якщо ж ці дані не були модифіковані, то їхнє місце в кеш-пам'яті з'являється вільним.

На практиці в кеш-пам'ять зчитується не один елемент даних, до якого відбулося звертання, а цілий блок даних, це збільшує імовірність так називаного «влучення в кеш», тобто перебування потрібних даних у кеш-пам'яті.

Покажемо, як середній час доступу до даних залежить від імовірності влучення в кеш. Нехай мається основні ЗП із середнім часом доступу до даних t1 і кеш-пам'ять, що має час доступу t2, мабуть, що t2<t1. Позначимо через t середній час доступу до даних у системі з кеш-пам'яттю, а через p -імовірність влучення в кэш. По формулі повної імовірності маємо:

t = t1 ((1 - p) + t2 (p

З її видно, що середній час доступу до даних у системі з кеш-пам'яттю лінійно залежить від імовірності влучення в кеш і змінюється від середнього часу доступу в основний ЗП (при р=0) до середнього часу доступу безпосередньо в кеш-пам'ять (при р=1).

У реальних системах імовірність влучення в кеш складає приблизно 0, 9. Високе значення імовірності перебування даних у кеш-пам'яті зв'язано з наявністю в даних об'єктивних властивостей: просторової і тимчасової локальності.

· Просторова локальність. Якщо відбулося звертання по деякій адресі, то з високим ступенем імовірності найближчим часом відбудеться звертання до сусідніх адрес.

· Тимчасова локальність. Якщо відбулося звертання по деякій адресі, то наступне звертання по цій же адресі з великою імовірністю відбудеться найближчим часом.

Усі попередні міркування справедливі і для інших пар ЗП, наприклад, для ОП і зовнішньої пам'яті. У цьому випадку зменшується середній час доступу до даних, розташованим на диску, і роль кеш-пам'яті виконує буфер в ОП.

6.3 Узгодження швидкостей обміну і кешування даних

При обміні даними завжди виникає задача узгодження швидкості. Узгодження швидкості звичайно досягається за рахунок буферизації даних в ОП і синхронізації доступу процесів до буфера.

У підсистемі в/в для узгодження швидкостей обміну також широко використовується буферизація даних в ОП. У тих спеціалізованих ОС, у яких забезпечення високої швидкості в/в є першочерговою задачею (керування в реальному часі, послуги мережної файлової служби і т. п.), велика частина ОП виділяється не під коди прикладних програм, а під буферизацію даних. Однак буферизація тільки на основі ОП в підсистемі в/в виявляється недостатньою - різниця між швидкістю обміну з ОП, куди процеси поміщають дані для обробки, і швидкістю роботи зовнішнього пристрою часто стає занадто значної, щоб як тимчасовий буфер можна було б використовувати ОП - її обсягу може просто не вистачити. Для таких випадків необхідно передбачити особливі міри, і часто як буфер використовується дисковий файл, названий також спул-файлом (від spool - шпулька, теж буфер, тільки для ниток). Типовий приклад застосування спулинга дає організація виводу даних на принтер. Для документів, що друкуються, обсяг у кілька десятків мегабайт - не рідкість, тому для їхнього тимчасового збереження (а печатка кожного документа займає від декількох хвилин до десятків хвилин) обсягу ОП явно недостатньо.

Буферизація даних дозволяє не тільки погодити швидкості роботи процесора і зовнішнього пристрою, але і вирішити іншу задачу - скоротити кількість реальних операцій в/в за рахунок кешування даних. Дисковий кеш є неодмінним атрибутом підсистем в/в практично всіх ОП, значно скорочуючи час доступу до збережених даних.

7. Розподіл ОП в ОС для MS-DOS

Перше питання, що хочеться задати - це які ОС варто відносити до сучасних, а які - ні? Чи варто в наш час вивчати таку «несучасну» ОС, як MS-DOS? На наш погляд, насамперед до сучасних ОС варто віднести ті, що використовують апаратні можливості мікропроцесорів, спеціально закладені для організації високопродуктивних і надійних обчислень. Однак ці ОС, як правило, дуже складні і громісткі. Вони займають великий дисковий простір, вимагають і великого обсягу ОП. Тому для рішення деякого класу задач цілком підходять і системи, що використовують мікропроцесори в так називаному реальному режимі роботи.

Як відомо, MS-DOS - це однопрограмна ОС. У ній, звичайно, можна організувати запуск резидентних або TSR-задач, але в цілому вона призначена для виконання тільки одного обчислювального процесу.

У IBM PC використовувався 16-розрядний мікропроцесор 18088, що за рахунок введення сегментного способу адресації дозволяв адресуватися до пам'яті обсягом до 1 Мбайт. У наступних ПК (IBM PC AT, AT386 і ін.) було прийняте рішення підтримувати сумісність з першими, тому при роботі з DOS насамперед розглядають перший Мбайт. Уся ця пам'ять розділялася на кілька областей, що проілюстровано на мал. 2. 10. На цьому малюнку зображено, що пам'яті може бути і більше, ніж 1 Мбайт

Якщо не вдаватися в деталі, можна сказати, що до складу MS-DOS входять наступні основні компоненти:

Базова підсистема в/в - BIOS (base input-output system), що включає в себе крім програми тестування ПК (POST2) оброблювачі переривань (драйвери), розташовані в ПЗП. В остаточному підсумку, майже всі інші модулі MS-DOS звертаються до BIOS. Якщо і не прямо, то через модулі більш високого рівня ієрархії.

Модуль розширення BIOS - файл IO. SYS (в інших DOS-системах він може називатися інакше, наприклад, IBMIO. COM).

Основний, базовий модуль обробки переривань DOS - файл MSDOS. SYS. Саме цей модуль в основному реалізує роботу з ФС. (У PC-DOS аналогічний за значенням файл називається IBMDOS. COM).

Командний процесор (інтерпретатор команд) - файл COMMAND. COM.

Розподіл ОП Windows 9. х

З точки зору базової архітектури ОС Windows 95/98 вони обидві є 32-розрядими, багатопоковими ОС з витісняючою багатозадачністю ОС. Основний коритсувацький інтерфейс цих ОС - графічний.

Для своєї загрузки вони використовують ОС MS-DOS 7. х.

Використання так званої плоскої моделі пам'яті, при якій всі можливі сегменти, які може використовувати програміст, співпадають один з одним і мають максимально можливий розмір, який визначається системними узгодженнями даної ОС, приводить до того, що зточки зору програміста пам'ять є неструктурована. За рахунок представлення адреси як пари (Р, І) пам'ять можна трактувати і як двомірну і це полегшує створення системного ПЗ і ПП з допомогою відповідних систем програмування.

У Windows 95/98 кожна 32-розрядна ПП виконується у своєму відповідному адресному просторі, але всі вони використовують сумісно один і той же 32-розрядний системний код. Іншими словами, ВАП не використовує всіх апаратних засобів захисту, закладених у мікропроцесорах.

Системний код Windows95/98 розміщується вище границі 2 Гбайти. У 32-бітних мікропроцесорах і80х86 є чотири рівня захисту, які називаються кільцями з номерами від 0 до 3. Кільце з номером 0 є найбільш привілегійованим, тобто максимально захищеними. Компоненти системи Windows 95, відносяться до кільця 0, відображаються на ВАП між 3 і 4 Гбайти. До цих компонентів відносяться ядро Windows, підсистема управління ВМ, модулі ФС і віртуальні драйвери.

Розподіл ОП Windows NT

В ОС Windows NT також використовується плоска модель пам'яті. Схема розподілу можливого ВАП в системах Windows NT дуже відрізняється від моделі пам'яті Windows95/98. Передусім, на відміну від Windows95/98 дуже великі степені використовується ряд серйозних апаратних засобів захисту, які є в мікропроцесорах, а також використаний інший логічний розподіл адресного простору.

По-перше, всі системні програмні модулі знаходяться в своїх особистих ВАП, і доступ лддо них зі сторони ПП неможливий. Ядро системи і декілька драйверів працюють у нульовому кільці в окремому адресному просторі.

По-друге, інші програмні модулі самої ОС, які виступають як серверні процеси по відношенню до ПП, функціонують також у своєму особистому системному ВАП, невидимому для прикладних процесів.

ПП виділя. ться 2 Гбайти локального лінійного простору від границі 64 кб до 2 Гбайт.

Для 16-розрядних прикладних Windows програм ОС Windows NT реалізує сеанси Windows on Windows. На відміну від Windows95/98 Windows NT дає можливість виконувати 16-розрядні Windows індивідуально в особистих просторах пам'яті або сумісно в розподіленому адресному просторі.

В системах WindowsNT 4. 0 об'єкти, які створюються і використовуються додатками і ОС, зберігаються в так званих пулах пам'яті. Доступ до цих пулів може бути отриманий тільки в привілегійованому режимі роботи процесора, в якому працюють компоненти ОС. Тому для того, щоб об'єкти, які зберігаються в пулах, стали видимі тредам додатків, ці треди повинні переключитися в привілегійований режим.

Неризедентний пул мімтить об'єкти, які можуть бути при необхідності вигружені на диск. Резидентний пул мімтить об'єкти, які мають постійно знаходитися в пам'яті. Вихідний розмір пулів визначається об'ємом фізичної пам'яті, доступної WindowsNT. Внаслідок цього розмір пула встановлюється динамічно і, залежності від працюючих в системі додатків і сервісів, буде мінятися в широкому діапазоні.

Вся ВП у WindowsNT розділяється на класи: зарезервовану, виділену і доступну.

- зарезервована пам'ять представляє собою набір неперервних адресів, які диспетчер ВП виділяє для процеса, але не враховує в загальній квоті пам'яті процеси до тих пір, поки вона не буде фактично використана. Коли процесу потрібно виконати запис в пам'ять, йому виділяється потрібний об'єм із зарезервованої пам'яті.

- пам'ять виділена, якщо диспетчер резервує для неї місце у файлі Pagefile. sys на той випадок, коли потрібно ви грузити вмістиме пам'яті на диск. Об'єм виділеної пам'яті процема характеризує фактично потрібний йому об'єм пам'яті. Виділена пам'ять розміром файла підкачки. Обмежений об'єм виділеної пам'яті в системі визначається тим, який об'єм пам'яті можна виділити процесам без збільшення розмірів файла підкачки. Якщо в системі є достатній об'єм дискового простору, то файл підкачки може бути збільшений і буде розширений обмежений об'єм виділеної пам'яті.

Вся пам'ять яка не є ні виділеною, ні зарезервованою є доступною. До доступної відноситься вільна пам'ять, обтулена пам'ять, а також пам'ять, яка знаходиться в списку очікування, яка була знищена із робочого набору процеса, але може бути викликана з них.

Размещено на Allbest.ru