Πώς δημιουργείται η φυσική διεύθυνση;

Η δημιουργία μιας φυσικής διεύθυνσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σύστημα διαχείρισης μνήμης του λειτουργικού συστήματος και την αρχιτεκτονική υπολογιστών. Δεν υπάρχει κανένας, καθολικός αλγόριθμος. Ωστόσο, η γενική διαδικασία περιλαμβάνει τη χαρτογράφηση μιας λογικής (εικονικής) διεύθυνσης σε μια φυσική διεύθυνση. Αυτή η χαρτογράφηση είναι ζωτικής σημασίας επειδή:

* Προστασία: Οι πολλαπλές διαδικασίες εκτελούνται ταυτόχρονα και ο καθένας χρειάζεται τον δικό του απομονωμένο χώρο μνήμης. Η άμεση χρήση των φυσικών διευθύνσεων θα οδηγούσε στο χάος και τα τρωτά σημεία της ασφάλειας.

* Αποδοτικότητα: Οι διαδικασίες ενδέχεται να μην χρειάζονται όλη τη μνήμη που διατίθενται ταυτόχρονα. Η χαρτογράφηση επιτρέπει την αποτελεσματική χρήση της φυσικής μνήμης RAM.

* Κοινή χρήση μνήμης: Οι διαδικασίες ενδέχεται να χρειαστεί να μοιραστούν ορισμένες περιοχές μνήμης. Η χαρτογράφηση βοηθά στη διαχείριση αυτής της κοινής χρήσης με ασφάλεια.

Ακολουθεί μια κατανομή της διαδικασίας, εστιάζοντας στην πιο κοινή προσέγγιση χρησιμοποιώντας τη σελίδα:

1. Λογική γενιά διευθύνσεων: Ένα πρόγραμμα δημιουργεί μια λογική διεύθυνση (που ονομάζεται επίσης εικονική διεύθυνση). Αυτή είναι η διεύθυνση που χρησιμοποιεί το πρόγραμμα, ανεξάρτητα από τη διάταξη της φυσικής μνήμης. Συνήθως αποτελείται από δύο μέρη:

* Αριθμός σελίδας: Προσδιορίζει ποια σελίδα έχει πρόσβαση στο πρόγραμμα.

* offset: Προσδιορίζει τη συγκεκριμένη θέση στη σελίδα αυτή.

2. Πίνακας σελίδας: Το λειτουργικό σύστημα χρησιμοποιεί μια δομή δεδομένων που ονομάζεται πίνακας * σελίδας * για να μεταφράσει λογικές διευθύνσεις σε φυσικές διευθύνσεις. Αυτός ο πίνακας είναι συνήθως πολλαπλών επιπέδων για την αποτελεσματικότητα στο χειρισμό μεγάλων χώρων διευθύνσεων. Κάθε καταχώρηση στον πίνακα σελίδας αντιστοιχεί σε μια σελίδα της εικονικής μνήμης της διαδικασίας. Η καταχώρηση περιέχει:

* Παρουσιάστε bit: Υποδεικνύει εάν η σελίδα φορτώνεται αυτή τη στιγμή στη φυσική μνήμη. Εάν όχι, εμφανίζεται ένα σφάλμα * σελίδας *, ενεργοποιώντας το λειτουργικό σύστημα για να φορτώσετε τη σελίδα από τη δευτερεύουσα αποθήκευση (όπως ένας σκληρός δίσκος).

* Αριθμός πλαισίου: Ο αριθμός του πλαισίου φυσικής μνήμης (ένα συνεχόμενο μπλοκ φυσικής μνήμης) όπου βρίσκεται η σελίδα.

* Bits προστασίας: Καθορίστε τα δικαιώματα πρόσβασης (ανάγνωση, εγγραφή, εκτέλεση).

3. Υπολογισμός φυσικής διεύθυνσης: Βρίσκεται η καταχώρηση πίνακα σελίδων για τον δεδομένο αριθμό σελίδας. Εάν έχει οριστεί το παρόν bit, η φυσική διεύθυνση υπολογίζεται με συγκόλληση:

* Αριθμός πλαισίου (από τον πίνακα σελίδας): Αυτό υποδεικνύει τη διεύθυνση εκκίνησης της σελίδας στη φυσική μνήμη.

* offset (από τη λογική διεύθυνση): Αυτή είναι η ίδια μετατόπιση μέσα στη σελίδα.

4. Φυσική διεύθυνση: Η προκύπτουσα συγκόλληση είναι η φυσική διεύθυνση που χρησιμοποιείται για την πρόσβαση στη θέση μνήμης.

Παράδειγμα (απλοποιημένο):

Ας πούμε:

* Λογική διεύθυνση:Αριθμός σελίδας =2, Offset =100

* Εισαγωγή πίνακα σελίδας για τον αριθμό σελίδας 2:αριθμός πλαισίου =5, παρούσα bit =1

* Μέγεθος πλαισίου =1024 bytes

Η φυσική διεύθυνση θα ήταν:(αριθμός πλαισίου * Μέγεθος πλαισίου) + Offset =(5 * 1024) + 100 =5224

Παραλλαγές και επιπλοκές:

* κατάτμηση: Ένα άλλο σύστημα διαχείρισης μνήμης χρησιμοποιεί τμήματα αντί για σελίδες. Η τμηματοποίηση παρέχει έναν διαφορετικό τρόπο για την οργάνωση της μνήμης, που χρησιμοποιείται συχνά σε συνδυασμό με τη σελίδα.

* Buffer Translation Lookaside (TLB): Για να επιταχύνετε τη μετάφραση διευθύνσεων, μια μνήμη cache που ονομάζεται TLB Stores που χρησιμοποιείται πρόσφατα καταχωρήσεις πίνακα σελίδων.

* Πίνακες σελίδας πολλαπλών επιπέδων: Για πολύ μεγάλους χώρους διευθύνσεων, οι πίνακες σελίδων είναι συχνά ιεραρχικοί (π.χ. πίνακας σελίδας που δείχνει άλλους πίνακες σελίδας).

* Μνήμη-χαρτογραφημένη I/O: Ορισμένες συσκευές έχουν πρόσβαση χρησιμοποιώντας διευθύνσεις μνήμης. Αυτές οι αντιστοιχίσεις αντιμετωπίζονται από το λειτουργικό σύστημα και το υλικό.

* Διεύθυνση διαστημικής διάταξης (ASLR): Ένα χαρακτηριστικό ασφαλείας που τυχαιοποιεί τη θέση των βασικών περιοχών μνήμης για να καταστήσει πιο δύσκολη την εκμετάλλευση.

Συνοπτικά, η δημιουργία μιας φυσικής διεύθυνσης είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει πολλαπλά βήματα και δομές δεδομένων που διαχειρίζονται το λειτουργικό σύστημα. Οι λεπτομέρειες ποικίλλουν ανάλογα με τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική και το λειτουργικό σύστημα, αλλά η βασική αρχή παραμένει η ίδια:χαρτογράφηση λογικών διευθύνσεων στις φυσικές διευθύνσεις για την προστασία, την αποτελεσματικότητα και τη διαχείριση της μνήμης.