6.2.1 Области

      В этом разделе описывается модель организации памяти, которой мы будем пользоваться на протяжении всей книги, но которая не является особенностью системы UNIX. В организации памяти, базирующейся на страницах, физическая память разделяется на блоки одинакового размера, называемые страницами. Обычный размер страниц составляет от 512 байт до 4 Кбайт и определяется конфигурацией технических средств. Каждая адресуемая ячейка памяти содержится в некоторой странице и, следовательно, каждая ячейка памяти может адресоваться парой (номер страницы, смещение внутри страницы в байтах). Например, если объем машинной памяти составляет 2 в 32-й степени байт, а размер страницы 1 Кбайт, общее число страниц — 2 в 22-й степени; можно считать, что каждый 32-разрядный адрес состоит из 22-разрядного номера страницы и 10-разрядного смещения внутри страницы (Рисунок 6.3).
      Когда ядро назначает области физические страницы памяти, необходимости в назначении смежных страниц и вообще в соблюдении какой-либо очередности при назначении не возникает. Целью страничной организации памяти является повышение гибкости назначения физической памяти, которое строится по аналогии с назначением дисковых блоков файлам в файловой системе. Как и при назначении блоков файлу, так и при назначении области страниц памяти, преследуется задача повышения гибкости и сокращения неиспользуемого (вследствие фрагментации) пространства памяти.
 
Шестнадцатиричный адрес 58432 Двоичный 0101 1000 0100 0011 0010 Номер страницы, смещение внутри страницы 01 0110 0001 00 0011 0010 В шестнадцатиричной системе 161 32        Рисунок 6.3. Адресация физической памяти по страницам
 
Логический номер страницы Физический номер страницы 0 177 1 54 2 209 3 17        Рисунок 6.4. Отображение логических номеров страниц на физические
 
      Ядро устанавливает соотношение между виртуальными адресами области и машинными физическими адресами посредством отображения логических номеров страниц в области на физические номера страниц в машине, как это показано на Рисунке 6.4. Поскольку область это непрерывное пространство виртуальных адресов программы, логический номер страницы служит указателем на элемент массива физических номеров страниц. Запись таблицы областей содержит указатель на таблицу физических номеров страниц, именуемую таблицей страниц. Записи таблицы страниц содержат машинно-зависимую информацию, такую как права доступа на чтение или запись страницы. Ядро поддерживает таблицы страниц в памяти и обращается к ним так же, как и ко всем остальным структурам данных ядра.
      На Рисунке 6.5 приведен пример отображения процесса в физические адреса памяти. Пусть размер страницы составляет 1 Кбайт и пусть процессу нужно обратиться к объекту в памяти, имеющему виртуальный адрес 68432. Из таблицы областей видно, что виртуальный адрес начала области стека — 65536 (64К), если предположить, что стек растет в направлении увеличения адресов. После вычитания этого адреса из адреса 68432 получаем смещение в байтах внутри области, равное 2896. Так как каждая страница имеет размер 1 Кбайт, адрес указывает со смещением 848 на 2-ю (начиная с 0) страницу области, расположенной по физическому адресу 986К. В разделе 6.5.5 (где идет речь о загрузке области) рассматривается случай, когда запись таблицы страниц помечается «пустой».
      В современных машинах используются разнообразные аппаратные регистры и кеши, которые повышают скорость выполнения вышеописанной процедуры трансляции адресов и без которых пересылки в памяти и адресные вычисления чересчур бы замедлились. Возобновляя выполнение процесса, ядро посредством загрузки соответствующих регистров сообщает техническим средствам управления памятью о том, в каких физических адресах выполняется процесс и где располагаются таблицы страниц. Поскольку такие операции являются машинно-зависимыми и в разных версиях реализуются по-разному, здесь мы их рассматривать не будем. Часть вопросов, связанных с архитектурой вычислительных систем, затрагивается в упражнениях.
 
       Рисунок 6.5. Преобразование виртуальных адресов в физические
 
      Организацию управления памятью попробуем пояснить на следующем простом примере. Пусть память разбита на страницы размером 1 Кбайт каждая, обращение к которым осуществляется через описанные ранее таблицы страниц. Регистры управления памятью в системе группируются по три; первый регистр в тройке содержит адрес таблицы страниц в физической памяти, второй регистр содержит первый виртуальный адрес, отображаемый с помощью тройки регистров, третий регистр содержит управляющую информацию, такую как номера страниц в таблице страниц и права доступа к страницам (только чтение, чтение и запись). Такая модель соответствует вышеописанной модели области. Когда ядро готовит процесс к выполнению, оно загружает тройки регистров соответствующей информацией из записей частной таблицы областей процесса.
      Если процесс обращается к ячейкам памяти, расположенным за пределами принадлежащего ему виртуального пространства, создается исключительная ситуация. Например, если область команд имеет размер 16 Кбайт (Рисунок 6.5), а процесс обращается к виртуальному адресу 26К, создается исключительная ситуация, обрабатываемая операционной системой. То же самое происходит, если процесс пытается обратиться к памяти, не имея соответствующих прав доступа, например, пытается записать адрес в защищенную от записи область команд. И в том, и в другом примере процесс обычно завершается (более подробно об этом в следующей главе).

      Несмотря на то, что ядро работает в контексте процесса, отображение виртуальных адресов, связанных с ядром, осуществляется независимо от всех процессов. Программы и структуры данных ядра резидентны в системе и совместно используются всеми процессами. При запуске системы происходит загрузка программ ядра в память с установкой соответствующих таблиц и регистров для отображения виртуальных адресов ядра в физические. Таблицы страниц для ядра имеют структуру, аналогичную структуре таблицы страниц, связанной с процессом, а механизмы отображения виртуальных адресов ядра похожи на механизмы, используемые для отображения пользовательских адресов. На многих машинах виртуальное адресное пространство процесса разбивается на несколько классов, в том числе системный и пользовательский, и каждый класс имеет свои собственные таблицы страниц. При работе в режиме ядра система разрешает доступ к адресам ядра, при работе же в режиме задачи такого рода доступ запрещен. Поэтому, когда в результате прерывания или выполнения системной функции происходит переход из режима задачи в режим ядра, операционная система по договоренности с техническими средствами разрешает ссылки на адреса ядра, а при возврате в режим ядра эти ссылки уже запрещены. В других машинах можно менять преобразование виртуальных адресов, загружая специальные регистры во время работы в режиме ядра.
      На Рисунке 6.6 приведен пример, в котором виртуальные адреса от 0 до 4М-1 принадлежат ядру, а начиная с 4М — процессу. Имеются две группы регистров управления памятью, одна для адресов ядра и одна для адресов процесса, причем каждой группе соответствует таблица страниц, хранящая номера физических страниц со ссылкой на адреса виртуальных страниц. Адресные ссылки с использованием группы регистров ядра допускаются системой только в режиме ядра; следовательно, для перехода между режимом ядра и режимом задачи требуется только, чтобы система разрешила или запретила адресные ссылки с использованием группы регистров ядра.
      В некоторых системах ядро загружается в память таким образом, что большая часть виртуальных адресов ядра совпадает с физическими адресами и функция преобразования виртуальных адресов в физические превращается в функцию тождественности. Работа с пространством процесса, тем не менее, требует, чтобы преобразование виртуальных адресов в физические производилось ядром.
       Рисунок 6.6. Переключение режима работы с непривилегированного (режима задачи) на привилегированный (режим ядра)

      Каждый процесс имеет свое собственное пространство, однако ядро обращается к пространству выполняющегося процесса так, как если бы в системе оно было единственным. Ядро подбирает для текущего процесса карту трансляции виртуальных адресов, необходимую для работы с пространством процесса. При компиляции загрузчик назначает переменной 'u' (имени пространства процесса) фиксированный виртуальный адрес. Этот адрес известен остальным компонентам ядра, в частности модулю, выполняющему переключение контекста (раздел 6.4.3). Ядру также известно, какие таблицы управления памятью используются при трансляции виртуальных адресов, принадлежащих пространству процесса, и благодаря этому ядро может быстро перетранслировать виртуальный адрес пространства процесса в другой физический адрес. По одному и тому же виртуальному адресу ядро может получить доступ к двум разным физическим адресам, описывающим пространства двух процессов.
      Процесс имеет доступ к своему пространству, когда выполняется в режиме ядра, но не тогда, когда выполняется в режиме задачи. Поскольку ядро в каждый момент времени работает только с одним пространством процесса, используя для доступа виртуальный адрес, пространство процесса частично описывает контекст процесса, выполняющегося в системе. Когда ядро выбирает процесс для исполнения, оно ищет в физической памяти соответствующее процессу пространство и делает его доступным по виртуальному адресу.
       Рисунок 6.7. Карта памяти пространства процесса в ядре
 
      Предположим, например, что пространство процесса имеет размер 4 Кбайта и помещается по виртуальному адресу 2М. На Рисунке 6.7 показана карта памяти, где первые два регистра из группы относятся к программам и данным ядра (адреса и указатели не показаны), а третий регистр адресует к пространству процесса D. Если ядру нужно обратиться к пространству процесса A, оно копирует связанную с этим пространством информацию из соответствующей таблицы страниц в третий регистр. В любой момент третий регистр ядра описывает пространство текущего процесса, но ядро может сослаться на пространство другого процесса, переписав записи в таблице страниц с новым адресом. Информация в регистрах 1 и 2 для ядра неизменна, поскольку все процессы совместно используют программы и данные ядра.

      Контекст процесса включает в себя содержимое адресного пространства задачи, выделенного процессу, а также содержимое относящихся к процессу аппаратных регистров и структур данных ядра. С формальной точки зрения, контекст процесса объединяет в себе пользовательский контекст, регистровый контекст и системный контекст . Пользовательский контекст состоит из команд и данных процесса, стека задачи и содержимого совместно используемого пространства памяти в виртуальных адресах процесса. Те части виртуального адресного пространства процесса, которые периодически отсутствуют в оперативной памяти вследствие выгрузки или замещения страниц, также включаются в пользовательский контекст.
      Регистровый контекст состоит из следующих компонент:
      • Счетчика команд, указывающего адрес следующей команды, которую будет выполнять центральный процессор; этот адрес является виртуальным адресом внутри пространства ядра или пространства задачи.
      • Регистра состояния процессора (PS), который указывает аппаратный статус машины по отношению к процессу. Регистр PS, например, обычно содержит подполя, которые указывают, является ли результат последних вычислений нулевым, положительным или отрицательным, переполнен ли регистр с установкой бита переноса и т. д. Операции, влияющие на установку регистра PS, выполняются для отдельного процесса, потому-то в регистре PS и содержится аппаратный статус машины по отношению к процессу. В других имеющих важное значение подполях регистра PS указывается текущий уровень прерывания процессора, а также текущий и предыдущий режимы выполнения процесса (режим ядра/задачи). По значению подполя текущего режима выполнения процесса устанавливается, может ли процесс выполнять привилегированные команды и обращаться к адресному пространству ядра.
      • Указателя вершины стека, в котором содержится адрес следующего элемента стека ядра или стека задачи, в соответствии с режимом выполнения процесса. В зависимости от архитектуры машины указатель вершины стека показывает на следующий свободный элемент стека или на последний используемый элемент. От архитектуры машины также зависит направление увеличения стека (к старшим или младшим адресам), но для нас сейчас эти вопросы несущественны.
      • Регистров общего назначения, в которых содержится информация, сгенерированная процессом во время его выполнения. Чтобы облегчить последующие объяснения, выделим среди них два регистра — регистр 0 и регистр 1 — для дополнительного использования при передаче информации между процессами и ядром.
      Системный контекст процесса имеет «статическую часть» (первые три элемента в нижеследующем списке) и «динамическую часть» (последние два элемента). На протяжении всего времени выполнения процесс постоянно располагает одной статической частью системного контекста, но может иметь переменное число динамических частей. Динамическую часть системного контекста можно представить в виде стека, элементами которого являются контекстные уровни, которые помещаются в стек ядром или выталкиваются из стека при наступлении различных событий. Системный контекст включает в себя следующие компоненты:
      • Запись в таблице процессов, описывающая состояние процесса (раздел 6.1) и содержащая различную управляющую информацию, к которой ядро всегда может обратиться.
      • Часть адресного пространства задачи, выделенная процессу, где хранится управляющая информация о процессе, доступная только в контексте процесса. Общие управляющие параметры, такие как приоритет процесса, хранятся в таблице процессов, поскольку обращение к ним должно производиться за пределами контекста процесса.
      • Записи частной таблицы областей процесса, общие таблицы областей и таблицы страниц, необходимые для преобразования виртуальных адресов в физические, в связи с чем в них описываются области команд, данных, стека и другие области, принадлежащие процессу. Если несколько процессов совместно используют общие области, эти области входят составной частью в контекст каждого процесса, поскольку каждый процесс работает с этими областями независимо от других процессов. В задачи управления памятью входит идентификация участков виртуального адресного пространства процесса, не являющихся резидентными в памяти.
      • Стек ядра, в котором хранятся записи процедур ядра, если процесс выполняется в режиме ядра. Несмотря на то, что все процессы пользуются одними и теми же программами ядра, каждый из них имеет свою собственную копию стека ядра для хранения индивидуальных обращений к функциям ядра. Пусть, например, один процесс вызывает функцию creat и приостанавливается в ожидании назначения нового индекса, а другой процесс вызывает функцию read и приостанавливается в ожидании завершения передачи данных с диска в память. Оба процесса обращаются к функциям ядра и у каждого из них имеется в наличии отдельный стек, в котором хранится последовательность выполненных обращений. Ядро должно иметь возможность восстанавливать содержимое стека ядра и положение указателя вершины стека для того, чтобы возобновлять выполнение процесса в режиме ядра. В различных системах стек ядра часто располагается в пространстве процесса, однако этот стек является логически-независимым и, таким образом, может помещаться в самостоятельной области памяти. Когда процесс выполняется в режиме задачи, соответствующий ему стек ядра пуст.
      • Динамическая часть системного контекста процесса, состоящая из нескольких уровней и имеющая вид стека, который освобождается от элементов в порядке, обратном порядку их поступления. На каждом уровне системного контекста содержится информация, необходимая для восстановления предыдущего уровня и включающая в себя регистровый контекст предыдущего уровня.
      Ядро помещает контекстный уровень в стек при возникновении прерывания, при обращении к системной функции или при переключении контекста процесса. Контекстный уровень выталкивается из стека после завершения обработки прерывания, при возврате процесса в режим задачи после выполнения системной функции, или при переключении контекста. Таким образом, переключение контекста влечет за собой как помещение контекстного уровня в стек, так и извлечение уровня из стека: ядро помещает в стек контекстный уровень старого процесса, а извлекает из стека контекстный уровень нового процесса. Информация, необходимая для восстановления текущего контекстного уровня, хранится в записи таблицы процессов.
      На Рисунке 6.8 изображены компоненты контекста процесса. Слева на рисунке изображена статическая часть контекста. В нее входят: пользовательский контекст, состоящий из программ процесса (машинных инструкций), данных, стека и разделяемой памяти (если она имеется), а также статическая часть системного контекста, состоящая из записи таблицы процессов, пространства процесса и записей частной таблицы областей (информации, необходимой для трансляции виртуальных адресов пользовательского контекста). Справа на рисунке изображена динамическая часть контекста. Она имеет вид стека и включает в себя несколько элементов, хранящих регистровый контекст предыдущего уровня и стек ядра для текущего уровня. Нулевой контекстный уровень представляет собой пустой уровень, относящийся к пользовательскому контексту; увеличение стека здесь идет в адресном пространстве задачи, стек ядра недействителен. Стрелка, соединяющая между собой статическую часть системного контекста и верхний уровень динамической части контекста, означает то, что в таблице процессов хранится информация, позволяющая ядру восстанавливать текущий контекстный уровень процесса.
       Рисунок 6.8. Компоненты контекста процесса
 
      Процесс выполняется в рамках своего контекста или, если говорить более точно, в рамках своего текущего контекстного уровня. Количество контекстных уровней ограничивается числом поддерживаемых в машине уровней прерывания. Например, если в машине поддерживаются разные уровни прерываний для программ, терминалов, дисков, всех остальных периферийных устройств и таймера, то есть 5 уровней прерывания, то, следовательно, у процесса может быть не более 7 контекстных уровней: по одному на каждый уровень прерывания, 1 для системных функций и 1 для пользовательского контекста. 7 уровней будет достаточно, даже если прерывания будут поступать в «наихудшем» из возможных порядков, поскольку прерывание данного уровня блокируется (то есть его обработка откладывается центральным процессором) до тех пор, пока ядро не обработает все прерывания этого и более высоких уровней.
      Несмотря на то, что ядро всегда исполняет контекст какого-нибудь процесса, логическая функция, которую ядро реализует в каждый момент, не всегда имеет отношение к данному процессу. Например, если возвращая данные, дисковое запоминающее устройство посылает прерывание, то прерывается выполнение текущего процесса и ядро обрабатывает прерывание на новом контекстном уровне этого процесса, даже если данные относятся к другому процессу. Программы обработки прерываний обычно не обращаются к статическим составляющим контекста процесса и не видоизменяют их, так как эти части не связаны с прерываниями.

6.4.1 Прерывания и особые ситуации