Подсистема управления процессами

    Сердцем операционной системы UNIX является подсистема управления процессами. Практически все действия ядра имеют отношение к процессам, будь то обслуживание системного вызова, генерация сигнала, размещение памяти, обработка особых ситуаций, вызванных выполнением процесса или обеспечением услуг ввода/вывода по запросу прикладного процесса.

    Вся функциональность операционной системы в конечном счете определяется выполнением тех или иных процессов, как и уровни выполнения системы (run levels) представляют собой ни что иное, как удобную форму определения группы выполняющихся процессов. Возможность терминального или сетевого доступа к системе, различные сервисы, традиционные для UNIX, — система печати, удаленные архивы FTP, электронная почта и система телеконференций (news) — все это результат выполнения определенных процессов. Процессы в UNIX неотъемлемо связаны с двумя важнейшими ресурсами системы процессором и оперативной памятью. Как правило, этих ресурсов никогда не бывает "много", и в операционной системе происходит активная конкурентная борьба за право обладания процессором и памятью. И по скольку UNIX является многозадачной системой общего назначения, задача справедливого распределения этого ресурса между задачами различного класса и с различными требованиями является нетривиальной.

    По скольку запущенная на выполнение программа порождает в системе один или болеепроцессов (или задач). Подсистема управления процессами контролирует:

• Создание и удаление процессов

• Распределение системных ресурсов (памяти, вычислительных ресурсов) между процессами

• Синхронизацию процессов

• Межпроцессное взаимод ействие

Очевидно, что в общем случае число активных процессов превышает число процессоров компьютера, но в каждый конкретный момент времени на каждом процессоре может выполняться только один процесс. Операционная система управляет доступом процессов к вычислительным ресурсам, создавая ощущение одновременного выполнения нескольких задач. Специальная задача ядра, называемая планировщиком процессов (scheduler), разрешает конфликты между процессами в конкуренции за системные ресурсы (процессор, память, устройства ввода/вывода). Планировщик запускает процесс на выполнение, следя за тем, чтобы процесс монопольно не захватил разделяемые системные ресурсы. Процесс освобождает процессор, ожидая длительной операции ввода/вывода, или по прошествии  кванта времени. В этом случае планировщик выбирает следующий процесс с наивысшим приоритетом и запускает его на выполнение.

    Модуль управления памятью обеспечивает размещение оперативной памяти для прикладных задач.В случае, если для всех процессов недостаточно памяти, ядро перемещает части процесса или нескольких процессов во вторичную память (как правило, в специальную область жесткого диска), освобождая ресурсы для выполняющегося процесса.  Все современные системы реализуют так называемую виртуальную память: процесс выполняется в собственном логическом адресномпространстве, которое может значительно превышать доступную физическую память. Управление виртуальной памятью процесса также входит в задачи модуля управления памятью.

    Модуль межпроцессного взаимодействия отвечает за уведомление процессов о событиях с помощью сигналов и обеспечивает возможность передачи данных между различными процессами.

Основы управления процессом

    Процесс UNIX представляет собой исполняемый образ программы, включающий отображение в памяти - исполняемого файла, полученного в результате компиляции, то есть трансляции модулей программы, языков высокого уровня, в эквивалентные программные модули языка низкого уровня, как то: стек, код и данные библиотек, а также ряд структур данных ядра, необходимых для управления процессом, что есть весьма важный момент для дальнейшего понимания принципов распределения памяти, как одного из важнейших ресурсов в "конкуренции" процессов, то есть данные -- структуированы !, условно на:

• Stack (cтек) — область памяти, в которой программа хранит информацию о вызываемых функциях, их аргументах и каждой локальной переменной в функциях. Размер области может меняться по мере работы программы. При вызове функций стек увеличивается, а при завершении — уменьшается.

• Heap (куча) — это область памяти, в которой программа может делать всё, что угодно. Размер области может меняться. Программист имеет возможность воспользоваться частью памяти кучи с помощью функции malloc(), и тогда эта область памяти увеличивается. Возврат ресурсов осуществляется с помощью free(), после чего куча уменьшается.

• Сode (кодовый сегмент) — это область памяти, в которой хранятся машинные инструкции скомпилированной программы. Они генерируются компилятором, но могут быть написаны и вручную. Обратите внимание, что эта область памяти также может быть разделена на три части (текст, данные и BSS). Эта область памяти имеет фиксированный размер, определяемый компилятором. UNIX. Профессиональное программирование   ст.259                      Стек и Куча

    Это в дальнейшем(в том числе) и предопределит возникновение(существование) сегментов и страниц. Процесс во время выполнения использует различные системные ресурсы - память, процессор, услуги файловой подсистемы и подсистемы ввода/вывода. Суровая правда любого современного вычислительного комплекса в том, что один процессор может обслуживать только один процесс в единицу времени, что в свою очередь предопределило возникновение(существование) "планировщика", по средствам которого  операционная система UNIX обеспечивает иллюзию одновременного выполнения нескольких процессов, эффективно распределяя системные ресурсы между активными процессами и не позволяя в то же время ни одному из них монополизировать использование этих ресурсов. 

    Новорожденная операционная система UNIX обеспечивала выполнение всего двух процессов, по одному на каждый подключенный к PDP-7 терминал. Спустя год, на той же PDP-7 число процессов заметно увеличилось, появился системный вызов fork. В Первой редакции UNIX появился вызов ехес,  но операционная система по прежнему позволяла размещать в памяти только один процесс в каждый момент времени. После реализации аппаратной подсистемы управления памятью на PDP-11 операционная система была модифицирована, что позволило загружать в память сразу несколько процессов, уменьшая тем самым время на сохранение образа процесса во вторичной памяти (на диске) и считывание его, когда процесс продолжал выполнение. Однако до 1972 года UNIX нельзя было назвать действительно многозадачной системой, т. к. операции ввода/вывода оставались синхронными, и другие процессы не могли выполняться, пока их "коллега" не завершал операцию ввода/вывода. Истинная многозадачность появилась только после того, как код UNIX был переписан на языке С в 1973 году. С тех пор основы управления процессами практически не изменились.

   В любой момент времени данные структур proc для всех процессов должны присутствовать в памяти, хотя остальные структуры данных, включая образ процесса, могут быть перемещены во вторичную память, область свопинга. Это позволяет ядру иметь под рукой минимальную информацию, необходимую для определения местонахождения остальных данных, относящихся к процессу, даже если они отсутствуют в памяти. Структура proc является записью системной таблицы процессов, которая, как мы только что заметили, всегда находится в оперативной памяти. Запись этой таблицы для выполняющегося в настоящий момент процесса адресуется системной переменной curproc. Каждый раз при переключении контекста, когда ресурсы процессора передаются другому

процессу, соответственно изменяется значение переменной curproc, которая теперь указывает на структуру proc активного процесса. Вторая упомянутая структура user, также называемая u-area или u-block, содержит дополнительные данные о процессе, которые требуются ядру только во время выполнения процесса (т. е. когда процессор выполняет инструкции процесса в режиме ядра или задачи). В отличие от структуры proc, адресованной указателем curproc, данные user размещаются

(точнее, отображаются) в определенном месте виртуальной памяти ядра и адресуются переменной u.     Ниже показаны две основные структуры данных процесса и способы их адресации ядром UNIX.

В u-area хранятся данные, которые используются многими подсистемами ядра и не только для управления процессом. В частности, там содержится информация об открытых файловых дескрипторах, диспозиция сигналов, статистика выполнения процесса, а также сохраненные значения регистров, когда выполнение процесса приостановлено. Очевидно, что процесс не должен иметь возможности модифицировать эти данные произвольным образом, поэтому u-area защищена от доступа в режиме задачи. Как видно из рис., u-area также содержит стек фиксированного размера, системный стек или стек ядра (kernel stack). При выполнении процесса в режиме ядра операционная система использует этот стек, а не обычный стек процесса.

• 1. Процесс выполняется в режиме задачи. При этом процессором выполняются прикладные инструкции данного процесса.

• 2. Процесс выполняется в режиме ядра. При этом процессором выполняются системные инструкции ядра операционной системы от имени процесса.

• 3. Процесс не выполняется, но готов к запуску, как только планировщик выберет его (состояние runnable).Процесс находится в очереди на выполнение и обладает всеми необходимыми ему ресурсами, кроме вычислительных.

• 4. Процесс находится в состоянии сна (asleep), ожидая недоступного в данный момент ресурса, например завершения операции ввода/вывода.

• 5. Процесс возвращается из режима ядра в режим задачи, но ядро прерывает его и производит переключение контекста для запуска более высокоприоритетного процесса.

• 6. Процесс только что создан вызовом fork и находится в переходном состоянии: он существует, но не готов к запуску и не находится в состоянии сна.

• 7. Процесс выполнил системный вызов exit и перешел в состояние зомби (zombie, defunct). Как такового процесса не существует, но остаются записи, содержащие код возврата и временную статистику его выполнения, доступную для родительского процесса. Это состояние является конечным в жизненном цикле процесса.

    Необходимо отметить, что не все процессы проходят через все множество состояний, приведенных выше.Процесс начинает свой жизненный путь с состояния 6, когда родительский процесс выполняет системный вызов fork(). После того как создание процесса полностью завершено, процесс завершает "дочернюю часть" вызова и переходит в состояние 3 готовности к запуску, ожидая своей очереди на выполнение. Когда планировщик выбирает процесс для выполнения, он переходит в состояние 1 и выполняется в режиме задачи. Выполнение в режиме задачи завершается в результате системного вызова или прерывания, и процесс переходит режим ядра, в котором выполняется код системного вызова или прерывания. После этого процесс опять может вернуться в режим задачи. Однако во время выполнения системного вызова в режиме ядра процессу может понадобиться недоступный в данный момент ресурс. Для ожидания доступа к такому ресурсу, процесс вызывает функцию ядра sleep() и переходит в состояние сна 4. При этом процесс добровольно освобождает вычислительные ресурсы, которые предоставляются следующему наиболее приоритетному процессу. Когда ресурс становится доступным, ядро "пробуждает процесс", используя функцию wakeup() помещает его в очередь на выполнение, и процесс переходит в состояние "готов к запуску" 3.

При предоставлении процессу вычислительных ресурсов происходит переключение контекста (context switch), в результате которого сохраняется образ, или контекст, текущего процесса, и управление передается новому. Переключение контекста может произойти, например, если процесс перешел в состояние сна, или если в состоянии готовности к запуску находится процесс с более высоким приоритетом, чем текущий. В последнем случае ядро не может немедленно прервать текущий процесс и произвести переключение контекста. Дело в том, что переключению контекста при выполнении в режиме ядра может привести к нарушению целостности самой системы. Поэтому переключение контекста откладывается до момента перехода процесса из режима ядра в режим задачи, когда все системные операции завершены, и структуры данных ядра находятся в нормальном состоянии.

    Таким образом, после того как планировщик выбрал процесс на запуск, последний начинает свое выполнение в режиме ядра, где завершает переключение контекста. Дальнейшее состояние процесса зависит от его предыстории: если процесс был только что создан или был прерван, возвращаясь в режим задачи, он немедленно переходит в этот режим. Если процесс начинает выполнение после состояния сна, он продолжает выполняться в режиме ядра, завершая системный вызов. Заметим, что такой процесс может быть прерван после завершения системного вызова в момент перехода из режима ядра в режим задачи, если в очереди существует более высокоприоритетный процесс. В UNIX 4xBSD определены дополнительные состояния процесса, в первую очередь связанные с системой управления заданиями и взаимодействием процесса с терминалом. Процесс может быть переведен в состояние "остановлен" с помощью сигналов останова SIGSTOP, SIGTTIN или SIGTTOU. В отличие от других сигналов, которые обрабатываются только для выполняющегося процесса, отправление этих сигналов приводит к немедленному изменению состояния В этом случае, если процесс выполняется или находится в очереди  на запуск, его состояние изменяется на "остановлен". Если же процесс находился в состоянии сна, его состояние изменится на "остановлен в состоянии сна". Выход из этих состояний осуществляется сигналом  продолжения SIGCONT, при этом из состояния "остановлен" процесс переходит в состояние "готов к запуску", а для процесса, остановленного в состоянии сна, следующим пунктом назначения является продолжение "сна". 

Описанные возможности полностью реализованы и в SVR4.

Существует исключение, касающееся процессов, находящихся в состоянии сна для низкоприоритетного события, т. е. события, вероятность наступления которого относительно мала (например, ввода с клавиатуры, который может и не наступить).

Наконец, процесс выполняет системный вызов exit() и заканчивает свое выполнение. Процесс может быть также завершен вследствие получения сигнала. В обоих случаях ядро освобождаетресурсы,принадлежавшие процессу, за исключением кода возврата и статистики его выполнения, и переводит процесс в состояние "зомби". В этом состоянии процесс находится до тех пор, пока родительский процесс не выполнит один из системных вызовов после чего вся информация о процессе будет уничтожена, а родитель получит код возврата завершившегося процесса.

Принципы управления памятью

Память это совокупность устройств предназначенных для хранения и выдачи информации, отдельные хранящие устройства входящие в вычеслительный комплекс классифицируются

по некоторой системе признаков и разделяются на: внешняя и внутренняя память, первичная и вторичная, оперативная память, буферная память, регистровая память.

Иерархия организации:

В не зависимости от технологии изготовления, существует железная закономерность для памяти, чем больше объем памяти, тем больше цикл обращения к ней, то есть процесс вычесления более замедленен, а вычислительный процесс ни что иное как  процесс взаимодействия двух потоков, потока команд и потока данных на операционном устройстве(процессоре) через тактовую частоту процессора, в итоге скорость передачи информации должна быть коррелируема с тактовой  частотой процессора, для согласования этих процессов и существует(в том числе) "иерархия памяти"

Байт 8 бит, это элементарная единица пересылки информации(команд и данных) все остальные единицы кратны байту, то есть 16,32,64 бита, слово, двойное слово и тд., байт единица адресуемой памяти. Булева переменная (любая 0 или 1) равна одному байту. Причина в скорости передачи информации.

Итого: Бит — наименьшая единица предоставления информации, Байт — наименьшая единица обработки и передачи информации.

 Маршал Кирк МакКузик FreeBSD - Архитектура и реализация <<-----------PDF ст.166

 Ю.Вахалия UNIX изнутри                                                             <<---------- PDF ст.578

 Организация памяти - Олов, Цилкер                                          <<-----------PDF ст.230

Оперативная память, или основная память, или память с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM). Время доступа к оперативной памяти составляет всего несколько циклов процессора, поэтому работа с данными, находящимся в памяти, обеспечивает максимальную производительность. Данный ресурс, как правило, ограничен. В большей степени это справедливо для многозадачной операционной системы общего назначения, каковой является UNIX. Поэтому данные, которые не могут быть размещены в оперативной памяти, располагаются на вторичных устройствах  хранения, или во вторичной памяти, роль которой обычно выполняют дисковые накопители. Время доступа ко вторичной памяти на несколько порядков превышает время доступа к оперативной памяти и требует активного содействия операционной системы.

    Подсистема управления памятью UNIX отвечает за справедливое и эффективное распределение разделяемого ресурса оперативной памяти между процессами и за обмен данными между оперативной и вторичной памятью. Часть операций производится аппаратно, устройством управления памятью (Memory Management Unit, MMU) процессора под управлением операционной системы, чем достигается требуемое быстродействие.

    Примитивное управление памятью значительно уменьшает функциональность операционной системы. Такие системы, как правило, позволяют загрузить в заранее определенное место в оперативной памяти единственную задачу и передать ей управление. При этом задача получает в свое распоряжение все ресурсы компьютера (разделяя их, разумеется, с операционной системой) а адреса, используемые задачей, являются физическими адресами оперативной памяти.

    По скольку такой способ запуска и выполнения одной программы безусловно является наиболее быстрым он часто используется в специализированных микропроцессорных системах,  однако практически неприменим в операционных системах общего назначения, какой является UNIX.

Можно сформулировать ряд возможностей, которые должна обеспечивать подсистема управления памятью современной многозадачной операционной системы:

• Выполнение задач, размер которых превышает размер оперативной памяти.

• Выполнение частично загруженных в память задач для минимизации времени их запуска.

• Размещение нескольких задач в памяти одновременно для повышения эффективности использования процессора.

• Размещение задачи в произвольном месте оперативной памяти.

• Размещение задачи в нескольких различных частях оперативной памяти.

• Совместное использование несколькими задачами одних и тех же областей памяти. Например, несколько процессов, выполняющих одну и ту же программу, могут совместно использовать сегмент кода.

• возможность создания машинно-независимых кодов, то есть априори между программой и физической памятью не должно быть связи.

    Все эти возможности реализованы в современных версиях UNIX с помощью виртуальной памяти, от эффективности реализации и работы этой подсистемы во многом зависит производительность многозадачной операционной системы в целом.  Она позволяет дать приложению иллюзию доступности большого объема памяти, в то время как реально компьютер может обладать лишь небольшим объемом оперативной памяти. Это требует определения абстракции "адресного пространства", отличного от физического местонахождения памяти. Программа создает ссылки на коды и данные в своем адресном пространстве, такие адреса должны преобразовываться в адреса ячеек оперативной памяти. Передача информации в основную память для использования ее программой и выполнение трансляции адресов при каждом доступе к памяти вынуждает к совместным действиям как программную, так и аппаратную часть компьютера.

PS: LINUX

И того: процесс работает с виртуальными адресами, а не с физическими.  Преобразование происходит посредством вычислений, используя таблицы дескрипторов, и каталоги таблиц, в общем и целом "ТАБЛИЦЫ" как и во всей вычислительной технике, структуры сопоставления, сравнения чего то с чем то. (Н.Вирт "Алгоритмы и структуры данных"   PDF)

Linux поддерживает 3 уровня таблиц: 

• каталог таблиц первого уровня (PGD - Page Table Directory), 

• каталог таблиц второго уровня (PMD - Medium Page Table Diractory), и, наконец, 

• таблица дескрипторов (PTE - Page Table Entry). 

Реально конкретным процессором могут поддерживаться не все уровни, но запас позволяет поддерживать больше возможных архитектур (Intel имеет 2 уровня таблиц, а Alpha - целых 3). Преобразование виртуального адреса в физический происходит соответственно в 3 этапа. Берется указатель PGD, имеющийся в структуре описывающий каждый процесс, преобразуется в указатель записи PMD, а последний преобразуется в указатель в таблице дескрипторов PTE. И, наконец, к реальному адресу, указывающему на начало страницы прибавляют смещение от ее начала. Хороший пример подобной процедуры можно посмотреть в функции ядра <partial_clear>.

PS:  Однако обращение к подобной структуре потребует дополнительного времени, поэтому есть специальные регистры процессора под названием TLB (translation lookaside buffer) это буфер, кеш постоянно обновляемый, буфер "асотиативной трансляции" TLB содержит фиксированный набор записей (от 8 до 4096) и является ассоциативной памятью, помещается обычно в оперативную память, кроме того спецификация принадлежности записи TLB  относится к определённому адресному пространству, а поскольку это ассоциативная память то поиск происходит очень быстро.     Управление памятью часть-2  29:24

http://citforum.ru/operating_systems/articles/linuxmem.shtml

Виртуальная и физическая память

    Оперативная память является, одним из важных компонентов компьютерной системы.  Ранние системы UNIX имели в своем распоряжении 64 Кбайт оперативной памяти, и это количество было явно недостаточным, современные компьютеры обладают гигабайтами оперативной памяти, и это все равно мало.

Оперативная память может быть представлена в виде последовательности байтов, каждый из которых имеет свой уникальный адрес, называемый физическим адресом. Именно эти адреса в конечном счете использует процессор, обмениваясь данными с оперативной памятью. Однако адресное пространство процесса существенным образом отличается от адресного пространства физической оперативной памяти. Представим себе, что адресное пространство процесса непосредственно отображалось бы в оперативную память, другими словами, что адреса, используемые процессом, являлись бы физическими адресами. При таком подходе на пути создания многозадачной системы нас ожидал бы ряд непреодолимых препятствий:

• Во-первых, трудно себе представить механизм, защищающий адресное пространство одного процесса, от адресного пространства другого или, что более важно, от адресного пространства самой операционной системы. Поскольку каждый процесс работает с физическими адресами, нет никакой гарантии, что процесс не обратится к ячейкам памяти, принадлежащим другим процессам или ядру системы. Последствия такого обращения скорее всего будут весьма плачевными.

• Во-вторых, уже на этапе компиляции необходимо было бы предусмотреть распределение существующего физического адресного пространства. При запуске каждый процесс должен занимать непрерывную и непересекающуюся область физических адресов.

• В-третьих, подобное распределение памяти между процессами вряд ли можно назвать оптимальным. Объем физической оперативной памяти будет существенным образом ограничивать число процессов, одновременно выполняющихся в системе. Так восемь процессов, каждый из которых занимает 1 Мбайт памяти, исчерпают 8 Мбайт оперативной памяти, а операционная система при средней загрузке насчитывает более 80 процессов!

Все перечисленные проблемы преодолимы с помощью виртуальной памяти.

При этом адреса, используемые приложениями и самим ядром, не обязаны соответствовать физическим адресам. Виртуальные адреса транслируются или отображаются в физические на аппаратном уровне при активном участии ядра операционной системы. Смысл виртуальной памяти заключается в том, что каждый процесс выполняется в собственном  виртуальном адресном пространстве. 

    Виртуальное адресное пространство —  рай для процесса.

• Во-первых, у процесса создается ощущение исключительности — ведь все адресное пространство принадлежит только ему. 

• Во-вторых, он больше не ограничен объемом физической памяти — виртуальная память может значительно превышать физическую. В результате процессы становятся изолированными друг от друга и не имеют возможности (даже при желании) "хозяйничать" в адресном пространстве соседа. Физическая память распределяется максимально эффективно — она не зависит от распределения виртуальной памяти отдельного процесса.

Очевидно, что для реализации виртуальной памяти необходим управляемый механизм отображения виртуального адреса в физический. В современных компьютерных системах процесс отображения выполняется на аппаратном уровне (с помощью MMU)(бит MMU (бит "используемости")) обеспечивая высокую скорость трансляции. Операционная система осуществляет управление этим процессом.  Современные процессоры, как правило, поддерживают объединение адресного пространства (сегментно - страничная организация памяти): 

• в области переменного размера — сегменты и 

• в области фиксированного размера — страницы, 

понятие "страница" можно трактовать как способ организации памяти когда физическая память разделяется на блоки фиксированного размера (512-2Кб, кратное 2-ум), как и понятие "сегмент", "страница" одно из фундаметальных абстракций в понимании архитектуры и работы операционных систем. При этом для каждого сегмента или страницы может быть задано собственное отображение виртуальных адресов в физические.

Виртуальное адресное пространство процесса, как правило, является последовательно структуированным  в рамках сегментов — кода, данных, стека и библиотек. Расположение соответствующих областей физической памяти может иметь фрагментированный характер.

Размер виртуальной памяти может существенно превышать размер физической за счет использования вторичной памяти или области свопинга - как правило, дискового пространства, где могут сохраняться временно не используемые участки адресного пространства процесса. Например, если при выполнении процесса происходит обращение к виртуальному адресу, для которого присутствует соответствующая страница физической памяти, операция чтения или записи завершится успешно. Если страница в оперативной памяти отсутствует, процессор генерирует аппаратное прерывание, называемое страничной ошибкой (page fault), в ответ на которое ядро определяет положение сохраненного содержимого страницы в области свопинга, считывает страницу в память, устанавливает параметры отображения виртуальных адресов в физические и сообщает процессору о необходимости повторить операцию. Все эти действия невидимы для приложения, которое работает с виртуальной памятью.

Механизм отображения виртуальных адресов в физические (трансляция адреса) существенным образом зависит от конкретной аппаратной реализации. В этом разделе рассмотривается механизм отображения виртуальных адресов в физические в операционной системе SCO UNIX на примере семейства процессоров Intel. Однако, как и для остальных подсистем UNIX, основные принципы отличаются мало, и данное изложение поможет представить механизмы управления памятью и разобраться, при необходимости, в конкретной реализации.

Двухмерное адресное пространство. Сегменты

http://cs.mipt.ru

Семейство процессоров Intel позволяет разделить память на несколько логических частей, называемых сегментами. При этом адресное пространство процесса может быть представлено в виде нескольких логических сегментов, каждый из которых состоит из непрерывной последовательности адресов,  лежащих в заданном диапазоне. Трансляция адресов, основанная на сегментации, предусматривает однозначное отображение адресов сегмента в непрерывную последовательность физических адресов. Виртуальный адрес при этом состоит из двух частей: селектора сегмента и смещения относительно начала сегмента. Селектор (точнее, поле селектора INDEX) указывает на так называемый дескриптор сегмента, содержащий такие параметры, как его расположение в памяти, размер и права доступа. Процессор поддерживает косвенную адресацию сегментов через дескрипторы сегментов, которые располагаются в специальных таблицах — областях памяти, на которые указывают предназначенные для этого регистры процессора. Ядро операционной системы отвечает за заполнение этих таблиц и установку значений регистров. Другими словами, ядро задает отображение, а процессор выполняет отображение на аппаратном уровне. Благодаря такой косвенной адресации логические сегменты защищены друг от друга, что обеспечивает целостность адресного пространства процесса и ядра.

Дескрипторы сегментов расположены в двух системных таблицах — локальной таблице дескрипторов (Local Descriptor Table — LDT) и глобальной таблице дескрипторов (Global Descriptor Table — GDT). Как следует из названия, LDT обеспечивает трансляцию виртуальных адресов сегментов процесса, в то время как GDT обслуживает адресное пространство ядра (например, при обработке системного вызова или прерывания).Для каждого процесса создается собственная LDT, в то время как GDT разделяется всеми процессами. Информация о таблице, на которую указывает селектор, находится в самом селекторе.

Селектор сегмента

INDEX     TI     RPL

• Поле INDEX является номером (индексом) дескриптора в таблице дескрипторов, который должен использоваться при вычислении линейного адреса.

• Бит TI указывает, какая таблица дескрипторов должна использоваться                                              Ø - соответствует GDT      1 - соответствует LDT

• Поле RPL используется для контроля прав доступа программы к сегменту. является запрошенным уровнем привилегий и является одним из механизмов обеспечения защиты сегментов. Например, если процесс, находясь в режиме задачи, попытается обратиться к сегменту, принадлежащему ядру, процессор сгенерирует особую ситуацию, в ответ на это ядро отправит процессу сигнал SIGSEGV.

Каждая запись LDT или GDT является дескриптором сегмента. Определено несколько типов дескрипторов, используемых для сегментов кода, данных и стека, а также ряд дескрипторов,

с помощью которых обеспечивается многозадачность и передача управления от непривилегированной задачи, например, процесса в режиме задачи, к привилегированной задаче, например, ядру.

Дескрипторы, используемые в последнем случае, называются шлюзами.

Дескрипторы сегментов (кода, данных, стека) имеют несколько полей:

• Базовый адрес В этом поле хранится 32-битный адрес начала сегмента. Процессор добавляет к нему смещение и получает 32-битный линейный адрес.

• Предел Это поле определяет размер сегмента. Если результирующий линейный адрес выходит за пределы сегмента, процессор генерирует особую ситуацию. Границы сегмента позволяют процессору обнаруживать такие распространенные ошибки, как переполнение стека, неверные указатели, неверные адреса вызовов и переходов. В случае, когда операционная система считает, что обращение за пределы сегмента не является ошибкой (например, при переполнении стека), она может расширить сегмент путем выделения дополнительной памяти и запросить выполнение команды вновь.

• Привилегии Это поле, имеющее название Descriptor Privilege Level (DPL), определяет уровень привилегий сегмента и используется совместно с полем RPL селектора для разрешения или запрещения доступа к сегменту. Для получения доступа к сегменту задача должна иметь по крайней мере такой же уровень привилегий, как и сегмент, т. е. RPL DPL.

• Признак присутствия. Этот бит обеспечивает один из механизмов реализации виртуальной памяти. Если бит не установлен, при попытке обращения к сегменту процессор генерирует особую ситуацию отсутствия сегмента, позволяя ядру подгрузить сегмент из вторичной памяти и вновь повторить инструкцию,  не затрагивая при этом выполнение процесса. Однако в большинстве современных версий UNIX виртуальная память основана на страничном механизме, при котором сегмент всегда присутствует в памяти, а обмен между оперативной и вторичной памятью происходит на уровне страниц.

• Тип Это поле определяет тип сегмента. Процессор проверяет тип сегмента на соответствие исполняемой команде. Это, в частности, не позволяет интерпретировать информацию сегмента данных как инструкции процессора.

• Права доступа Это поле определяет права доступа, ограничивающие множество операций, которые можно производить с сегментом. Например, сегмент кода обычно отмечается как исполняемый и читаемый. Сегменты данных могут иметь право доступа только для чтения, или для чтения и записи.

Комбинация селектора и смещения образует логический адрес. Блок управления памятью процессора использует селектор для определения соответствующего ему дескриптора. Складывая базовый адрес сегмента, хранящийся в дескрипторе, со смещением, процессор создает линейный адрес.

Если страничный механизм не используется, полученный линейный адрес является физическим, используемым для непосредственного доступа к оперативной памяти. Однако реализация виртуальной памяти, основанная только на сегментах, не обладает достаточной гибкостью и не используется в современных версиях. Управление памятью в большинстве систем основано на страничном механизме. Сегменты используются ядром для размещения кода, данных и стека процесса, причем каждый из них имеет нулевой базовый адрес и предел — 3 Гбайт, т. е. всю адресуемую виртуальную память за вычетом 1 Гбайт, занимаемых ядром системы. Распределение виртуального адресного пространства между ядром и процессами рассмотрено в "Адресное пространство процесса".

Страничный механизм

При реализации виртуальной памяти, основанной только на сегментации, весь сегмент целиком может либо присутствовать в оперативной памяти, либо отсутствовать (точнее, находиться во вторичной памяти или в исполняемом файле процесса). Поскольку размер сегмента может быть достаточно велик, одновременное выполнение нескольких больших процессов вызовет серьезную конкуренцию за ресурсы памяти, что в свою очередь приведет к интенсивному обмену данными между оперативной и вторичной памятью.  К тому же обмен областями переменного размера, каковыми являются сегменты, достаточно сложен и, хотя фрагментация памяти при этом будет невелика, приведет к низкой эффективности ее использования, оставляя большое количество неиспользуемого пространства.

Страничный механизм обеспечивает гораздо большую гибкость. В этом случае все виртуальное адресное пространство (4 Гбайт для процессоров Intel) разделено на блоки одинакового размера, называемые страницами. Большинство процессоров Intel работает со страницами размером 4 Кбайт. Так же как и в случае сегментации, страница может либо присутствовать в оперативной памяти, либо находиться в области свопинга или исполняемом файле процесса. Основное преимущество такой схемы заключается в том, что система управления памятью оперирует областями достаточно малого размера для обеспечения эффективного распределения ресурсов памяти между процессами.

Страничный механизм допускает, чтобы часть сегмента находилась в оперативной памяти, а часть отсутствовала. Это дает ядру возможность разместить в памяти только те страницы, которые в данное время используются процессом, тем самым значительно освобождая оперативную память. Еще одним преимуществом является то, что страницы сегмента могут располагаться в  физической памяти в произвольном месте и порядке,что позволяет эффективно использовать свободное пространство.

Данный подход напоминает схему хранения файлов на диске — каждый файл состоит из различного числа блоков хранения данных, которые могут располагаться в любых свободных участках дискового накопителя. Это ведет к значительной фрагментации, но существенно повышает эффективность использования дискового пространства.

При использовании страничного механизма линейный адрес, полученный в результате сложения базового адреса сегмента и смещения также является логическим адресом, который дополнительно обрабатывается блоком страничной трансляции процессора. В этом случае линейный адрес рассматривается процессором как состоящий из трех частей.

Каждый элемент таблицы страниц содержит несколько полей,описывающих различные характеристики страницы.  Поля PTE:

P Признак присутствия в оперативной памяти. Доступ к странице, отсутствующей в памяти (Р=0) вызывает страничную ошибку, особую ситуацию,о чем процессор информирует ядро, которое обрабатывает ее соответствующим образом.

R/W Права только на чтение страницы (R/W=0)или на чтение и запись (R/W=1)

U/S Привилегии доступа. Если U/S=0, только привилегированные задачи (ядро) имеют доступ к адресам страницы. В противном случае, доступ к странице имеют все задачи.

Адрес Физический адрес начала страницы (адрес базы)