Віртуальна пам'ять - це сукупність програмно-апаратних засобів, що дозволяють користувачам писати програми, розмір яких перевершує наявну ОП.

Для цього ВП вирішує наступні задачі:

- розміщує дані в ЗП різного типу, наприклад, частина програми в ОП, а частина на диску;

- переміщує по мірі необхідності дані між ЗП різного типу, наприклад, завантажує потрібну частину програми з диска в ОП;

- перетворює ВА у фізичні.

Всі ці дії виконуються автоматично, без участі програміста, тобто механізм ВП і є прозорим стосовно користувача.

Найбільш розповсюдженими реалізаціями ВП є сторінковий, сегментний і сторінково-сегментний розподіл пам'яті, а також свопінг.

4.2. Сторінковий розподіл

ВАП кожного процесу поділяється на частини однакового, фіксованого для даної системи розміру, як називаються віртуальними сторінками. У загальному випадку розмір ВАП не є кратним розміру сторінки, тому остання сторінка кожного процесу доповнюється фіктивною областю.

Вся ОП машини також поділяється на частині такого ж розміру, називані фізичними сторінками (чи блоками).

Розмір сторінки звичайно вибирається рівним ступеня двійки: 512, 1024 і т.д., це дозволяє спростити механізм перетворення адрес.

При завантаженні процесу частина його віртуальних сторінок міститься в ОП, а інші - на диск. Суміжні віртуальні сторінки не обов'язково розташовуються в суміжних фізичних сторінках. При завантаженні ОС створює для кожного процесу інформаційну структуру - таблицю сторінок, у якій установлюється відповідність між номерами віртуальних і фізичних сторінок для сторінок, завантажених в ОП, чи робиться оцінка про те, що віртуальна сторінка вивантажена на диск. Крім того, у таблиці сторінок міститься керуюча інформація, така як ознака модифікації сторінки, ознака невивантаження (вивантаження деяких сторінок може бути заборонене), ознака звертання до сторінки (використовується для підрахунку числа звертань за визначений період часу) і інші дані, формовані і використовувані механізмом ВП.

При активізації чергового процесу в спеціальний регістр процесора завантажується адреса таблиці сторінок даного процесу.

При кожному звертанні до пам'яті відбувається зчитування з таблиці сторінок інформації про віртуальну сторінку, до якої відбулося звертання. Якщо дана віртуальна сторінка знаходиться в ОП, то виконується перетворення ВА у фізичну. Якщо ж потрібна віртуальна сторінка в даний момент вивантажена на диск, то відбувається так зване сторінкове переривання. Процес, що виконується, переводиться в стан чекання, і активізується інший процес з черги готових. Паралельно програма обробки сторінкового переривання знаходить на диску необхідну віртуальну сторінку і намагається завантажити її в ОП. Якщо в пам'яті наявна вільна фізична сторінка, то завантаження виконується негайно, якщо ж вільних сторінок немає, то вирішується питання, яку сторінку потрібно вивантажити з ОП.

У даній ситуації може бути використано багато різних критеріїв вибору, найбільш популярні з них наступні:

· довше всього не використовувалася сторінка,

· перша сторінка, що зустрілася,

· сторінка, до якої останнім часом було найменше звертань.

У деяких системах використовується поняття робочої безлічі сторінок. Робоча безліч визначається для кожного процесу і являє собою перелік найбільше часто використовуваних сторінок, що повинні постійно знаходитися в ОП і тому не підлягають вивантаженню.

Після того, як обрана сторінка залишила ОП, аналізується її ознака модифікації (з таблиці сторінок). Якщо сторінка, що виштовхується, з моменту завантаження була модифікована, то її нова версія повинна бути переписана на диск. Якщо ні, то вона може бути просто знищена, тобто відповідна фізична сторінка являється вільною.

Розглянемо механізм перетворення ВА у фізичний при сторінковій організації пам'яті (рис. 23).

ВА при сторінковому розподілі може бути представлений у виді пари (p, s), де p - номер віртуальної сторінки процесу (номерація сторінок починається з 0), а s - зсув у межах віртуальної сторінки. З огляду на те, що розмір сторінки дорівнює 2 у ступені до, зсув s може бути отримано простим відділенням k молодших розрядів у двійеовому записі ВА. Старші розряди, що залишилися, являють собою двійковий запис номера сторінки p.

Віртуальний адрес k двійкових розділів

№ віртуальної сторінки | № фізичної сторінки

p | n

Розмір сторінки 2k

Фізичний адрес k двійкових розрядів

Рис. 23. Механізм перетворення віртуальної адреси у фізичний

при сторінковій організації пам'яті

При кожному звертанні до ОП апаратними засобами виконуються наступні дії:

1. на підставі початкової адреси таблиці сторінок (вміст регістра адреси таблиці сторінок), номера віртуальної сторінки (старші розряди ВА) і довжини запису в таблиці сторінок (системна константа) визначається адресу потрібного запису в таблиці;

2. з цього запису витягається номер фізичної сторінки;

3. до номера фізичної сторінки приєднується зсув (молодші розряди віртуальної адреси).

Використання в пункті (3) того факту, що розмір сторінки дорівнює ступеню 2, дозволяє застосувати операцію конкатенації (приєднання) замість більш тривалої операції додавання, що зменшує час одержання фізичної адреси, а значить підвищує продуктивність комп'ютера.

На продуктивність системи зі сторінковою організацією пам'яті впливають тимчасові витрати, зв'язані з обробкою сторінкових переривань і перетворенням ВА у фізичну. При часто виникаючих сторінкових перериваннях система може витрачати велику частину часу, на свопінг сторінок. Щоб зменшити частоту сторінкових переривань, варто було б збільшувати розмір сторінки. Крім того, збільшення розміру сторінки зменшує розмір таблиці сторінок, а значить зменшує витрати пам'яті. З іншого боку, якщо сторінка велика, значить велика і фіктивна область в останній віртуальній сторінці кожної програми. У середньому на кожній програмі губиться половина обсягу сторінки, що в сумі при великій сторінці може скласти істотну величину. Час перетворення ВА у фізичну у значній мірі визначається часом доступу до таблиці сторінок. У зв'язку з цим таблицю сторінок прагнуть розміщати в "швидких" ЗП. Це може бути, наприклад, набір