Πώς λειτουργεί η εικονική διεύθυνση στη φυσική χαρτογράφηση σε συστήματα υπολογιστών;

Η εικονική διεύθυνση στη χαρτογράφηση φυσικών διευθύνσεων στα συστήματα υπολογιστών είναι μια κρίσιμη διαδικασία που επιτρέπει σε πολλαπλές διαδικασίες να εκτελούνται ταυτόχρονα, ενώ φαινομενικά έχει αποκλειστική πρόσβαση σε ολόκληρη τη μνήμη του συστήματος. Έχει επιτευχθεί μέσω ενός συνδυασμού στοιχείων υλικού και λογισμικού, κυρίως η MMU (μονάδα διαχείρισης μνήμης) Και ο πίνακας σελίδας . Εδώ είναι μια κατανομή:

1. Εικονικές διευθύνσεις:

* Κάθε διαδικασία λαμβάνει το δικό της ιδιωτικό εικονικό χώρο διευθύνσεων. Αυτός ο χώρος είναι ανεξάρτητος από τους εικονικούς χώρους διευθύνσεων άλλων διαδικασιών, που σημαίνει ότι μια διαδικασία μπορεί να έχει πρόσβαση στη διεύθυνση 0x1000 χωρίς σύγκρουση με άλλη διαδικασία χρησιμοποιώντας επίσης 0x1000.

* Αυτός ο εικονικός χώρος διευθύνσεων είναι μεγάλος, συχνά υπερβαίνει πολύ τη φυσική μνήμη RAM. Αυτό επιτρέπει στις διαδικασίες να χρησιμοποιούν περισσότερη μνήμη από ό, τι υπάρχει φυσικά.

2. Φυσικές διευθύνσεις:

* Αυτές είναι οι πραγματικές διευθύνσεις στη φυσική μνήμη RAM. Το MMU μεταφράζει εικονικές διευθύνσεις σε φυσικές διευθύνσεις.

* Ο φυσικός χώρος διευθύνσεων περιορίζεται από την ποσότητα μνήμης RAM που είναι εγκατεστημένο στο σύστημα.

3. Η μονάδα διαχείρισης μνήμης (MMU):

* Το MMU είναι ένα στοιχείο υλικού που εκτελεί το κρίσιμο έργο της μετάφρασης των εικονικών διευθύνσεων σε φυσικές διευθύνσεις. Το κάνει αυτό σε πραγματικό χρόνο, κάθε φορά που μια διαδικασία προσπαθεί να αποκτήσει πρόσβαση στη μνήμη.

* Χρησιμοποιεί τον πίνακα σελίδας (που περιγράφεται παρακάτω) για να εκτελέσει τη μετάφραση.

4. Πίνακες σελίδας:

* Οι πίνακες σελίδας είναι δομές δεδομένων που διαμένουν στη μνήμη που περιέχουν τη χαρτογράφηση μεταξύ των εικονικών σελίδων και των φυσικών πλαισίων.

* σελίδες: Ο εικονικός χώρος διευθύνσεων χωρίζεται σε μπλοκ σταθερού μεγέθους που ονομάζονται σελίδες. Ένα τυπικό μέγεθος σελίδας είναι 4KB.

* πλαίσια: Η φυσική μνήμη χωρίζεται επίσης σε μπλοκ σταθερού μεγέθους που ονομάζονται πλαίσια, συνήθως το ίδιο μέγεθος με τις σελίδες.

* Ο πίνακας σελίδας λειτουργεί ουσιαστικά ως πίνακας αναζήτησης. Δεδομένου ενός εικονικού αριθμού σελίδας, επιστρέφει τον αντίστοιχο αριθμό φυσικού πλαισίου.

5. Η διαδικασία μετάφρασης (απλοποιημένη):

1. Η εικονική διεύθυνση χωρίζεται σε δύο μέρη:ο αριθμός εικονικής σελίδας (VPN) και η μετατόπιση της σελίδας.

2. Πίνακας σελίδας: Το VPN χρησιμοποιείται ως δείκτης στον πίνακα σελίδας για να βρείτε την αντίστοιχη καταχώρηση. Αυτή η καταχώρηση περιέχει τον αριθμό φυσικού πλαισίου (PFN) και άλλες πληροφορίες όπως δικαιώματα πρόσβασης (διαβάστε, γράφετε, εκτελέστε).

3. Κατασκευή φυσικής διεύθυνσης: Το PFN συνδυάζεται με την μετατόπιση της σελίδας από την αρχική εικονική διεύθυνση για να δημιουργηθεί η τελική φυσική διεύθυνση.

4. Πρόσβαση μνήμης: Στη συνέχεια, το MMU χρησιμοποιεί αυτή τη φυσική διεύθυνση για να αποκτήσει πρόσβαση στη θέση μνήμης.

6. Πίνακες σελίδας πολλαπλών επιπέδων:

Για να αποφευχθούν υπερβολικά μεγάλοι πίνακες σελίδων (κάτι που θα συνέβαινε εάν ένας πίνακας σελίδων χαρτογράφησε ολόκληρο τον εικονικό χώρο διευθύνσεων), πολλά συστήματα χρησιμοποιούν πίνακες σελίδας πολλαπλών επιπέδων. Αυτό δημιουργεί μια ιεραρχική δομή, όπου κάθε επίπεδο δείχνει το επόμενο, τελικά οδηγώντας στον αριθμό φυσικού πλαισίου. Αυτό εξοικονομεί μνήμη και βελτιώνει την αποτελεσματικότητα.

7. Buffer Translation Lookaside (TLB):

Το TLB είναι μια μνήμη cache μέσα στο MMU που αποθηκεύει πρόσφατα μεταφράσεις εικονικής προς φυσικής διεύθυνσης. Αυτό επιταχύνει σημαντικά τη διαδικασία μετάφρασης, καθώς η πρόσβαση στο TLB είναι πολύ ταχύτερη από την πρόσβαση στην κύρια μνήμη για να αναζητήσετε τον πίνακα σελίδας. Εάν μια μετάφραση δεν βρεθεί στο TLB (ένα MISS TLB), το MMU πρέπει να έχει πρόσβαση στον πίνακα σελίδας, ο οποίος είναι σημαντικά πιο αργός.

8. Συσκευασία και ανταλλαγή:

* σελίδα: Εάν μια διαδικασία προσπαθεί να αποκτήσει πρόσβαση σε μια σελίδα που δεν βρίσκεται επί του παρόντος σε μνήμη RAM (σφάλμα σελίδας), το λειτουργικό σύστημα φορτώνει την απαραίτητη σελίδα από τη δευτερεύουσα αποθήκευση (σκληρό δίσκο) στη μνήμη RAM.

* ανταλλαγή: Το λειτουργικό σύστημα μπορεί να ανταλλάξει εικονικούς χώρους διευθύνσεων ολόκληρων διαδικασιών μέσα και έξω από τη μνήμη RAM για να διαχειριστεί αποτελεσματικά τη μνήμη.

Συνοπτικά: Η εικονική διεύθυνση στη χαρτογράφηση φυσικών διευθύνσεων είναι ένας πολύπλοκος αλλά βασικός μηχανισμός που επιτρέπει την αποτελεσματική διαχείριση της μνήμης, την προστασία και την ταυτόχρονη εκτέλεση πολλαπλών διαδικασιών. Το MMU, οι πίνακες σελίδων και το TLB συνεργάζονται για να εκτελέσουν αυτή τη μετάφραση απρόσκοπτα, καθιστώντας το διαφανές στις εφαρμογές.