Stronicowanie pamięci

Stronicowanie jest jednym ze sposobów rozwiązania dylematu zewnętrznej fragmentacji polegającym na dopuszczeniu nieciągłości rozmieszczenia logicznej przestrzeni adresowej procesu w pamięci fizycznej. Było użyte przez polskiego inżyniera Jacka Karpińskiego w architekturze komputera K-202.

Podstawowa filozofia stronicowania:

• Pamięć fizyczna dzielona jest na bloki stałej długości zwane ramkami.
• Pamięć logiczna dzielona jest na bloki stałej długości zwane stronami.
• Rozmiary stron oraz ramek są identyczne.
• Przy wykonywaniu procesu, strony z pamięci pomocniczej wprowadzane są w odpowiednie ramki pamięci operacyjnej.

Stronicowaniem w systemach komputerowych nazywamy podział pamięci na mniejsze obszary o ustalonej albo zmiennej wielkości oraz przydzielanie tym blokom adresów fizycznych albo logicznych.

Historia

W światowym przemyśle komputerowym stronicowanie stosowano przynajmniej we wczesnych latach 60. W Polsce inż. Jacek Karpiński przy konstruowaniu komputera K-202 w latach 1970–1973 innowacyjnie rozwiązał problem adresowania większej ilości pamięci poprzez stronicowanie. Odmienne porównywalne ówczesne komputery 16-bitowe dostępne na świecie mogły zaadresować zaledwie 64 kilobajty (były to Super-Nova oraz Modular One). Dzięki owemu mechanizmowi komputer K-202 adresował do 8 megabajtów (MB) pamięci operacyjnej.

Stronicowanie pamięci fizycznej

Stronicowanie pamięci fizycznej wykonywane było z powodu ograniczenia przestrzeni adresowej procesora (stronicowanie fizyczne). Stronicowanie takie stosowano w systemach 8- oraz 16-bitowych, w których ilość zainstalowanej pamięci przekraczała możliwości adresowania pamięci przez procesor.

W pamięciach flash

W pewnych pamięciach EEPROM, podczas zapisu może nastąpić zaledwie przeistoczenie stanu komórki pamięci z 1 na 0, a przeistoczenie z 0 na 1 przebiega wydatnie dłużej oraz jest nazywana kasowaniem. Tego typu pamięć jest dzielona na strony, kasowanie przebiega równocześnie dla wszystkich komórek strony, zapis do pamięci następuje poprzez wypełnienie bufora (strony) oraz następnie na rozkaz: bufor zostaje przeniesiony do pamięci, co trwa od 1 ms do 10 ms. Tak zorganizowana pamięć nazywana jest Flash EEPROM.

Stronicowanie pamięci w systemie MS-DOS

System MS-DOS używa procesora 8086 albo jego następcy w trybie rzeczywistym. W trybie tym procesor może zaadresować 1 MB pamięci. Na początku lat dziewięćdziesiątych ukazała się koncepcja wykorzystania w MS-DOS pamięci z obszaru ponad 1 MB, pamięć ta była dzielona na bloki (strony) o wielkości 16 kB oraz dostępna przez okno o wielkości 64 kB składające się z 4 ramek w obszarze UMA. Ten odmiana pamięci nazywano EMS.

Stronicowanie pamięci w procesorach 80386

Procesory 80386 oraz nowsze pracujące w trybie chronionym dopuszczają dowolne mapowanie adresów logicznych na adresy fizyczne – mechanizm ten nazywany jest stronicowaniem (ang. paging). Adresy logiczne zawierają w sobie całą przestrzeń adresową procesora, czyli 4 GB, niezależnie od tego, ile w rzeczywistości w komputerze zainstalowano pamięci. Zadaniem systemu operacyjnego jest odpowiednie mapowanie adresów logicznych na adresy pamięci fizycznej, co dopuszcza zwykłym programom użytkowym przez cały czas działania odwoływać się do tych samych adresów logicznych.

Jeśli włączone jest stronicowanie, wówczas cała pamięć (4 GB) dzielona jest na bloki – strony o rozmiarach 4 kB; w procesorach Pentium oraz nowszych możliwe jest także używanie stron o rozmiarach 4 MB. Gdy program odwołuje się do pamięci, podaje adres właściwej komórki pamięci. Adres ten jest 32-bitową liczbą, która składa się z trzech części:

1. indeks w katalogu stron (liczba 10-bitowa),
2. indeks w tablicy stron (liczba 10-bitowa),
3. przesunięcie w obrębie strony (liczba 12-bitowa).

Katalog stron zawiera wskaźniki do tablic stron, tablice stron przechowują adresy fizyczne stron. (System operacyjny może zarządzać wieloma katalogami oraz tablicami stron).

Zatem pierwsza cząstka adresu wybiera z katalogu stron tablicę stron. Druga cząstka adresu wybiera pozycję z tablicy stron, która wyznacza fizyczny adres konkretnej strony. Przesunięcie jest adresem lokalnym w obrębie wybranej strony. Ostatecznie adres fizyczny, na który zamapowano adres logiczny, wyznaczany jest z dwóch składników: adresu fizycznego strony oraz przesunięcia.

Gdyż uzyskiwanie dostępu do pamięci w celu odczytania informacji o stronie jest czasochłonne, dlatego procesory posiadają pamięć podręczną (ang. TLB, Translation Lookaside Buffer), w której pamiętane są ostatnio wyznaczone adresy fizyczne stron. TLB przechowuje 32, 64, 256 albo więcej pozycji.

Każda pozycja w tablicy stron przechowuje pewne dodatkowe informacje dotyczące strony pamięci, także te przydatne w realizacji pamięci wirtualnej:

• Bit obecności (ang. present) – mówi czy strona istnieje w pamięci fizycznej. Gdy system operacyjny usuwa stronę z pamięci, tzn. zapisuje ją na dysk, zeruje ten bit. Jeśli program odwoła się do strony nieobecnej w pamięci procesor generuje wyjątek oraz wówczas system operacyjny wczytuje z dysku uprzednio zapisaną tam zawartość strony.
• Bit użycia (ang. accessed) – jest ustawiany przez procesor, kiedy nastąpi odwołanie do danej strony. System operacyjny zwalnia pamięć zapisując nieużywane strony pamięci na dysku. Wartość zerowa bitu użycia oznacza niedobór odwołań do strony oraz jest sygnałem dla systemu, że bywa przeniesiona na dysk. Ustawiony bit użycia może w pewnym stopniu zabezpieczać stronę przed przeniesieniem na dysk.
• Bit modyfikacji (ang. dirty albo modified) – jest ustawiany podczas zapisu danych. Jeżeli dana strona jest usuwana z pamięci, to w przypadku ustawienia bitu modyfikacji musi być zapisana na dysk. Wartość zerowa bitu modyfikacji oznacza, że strona w pamięci oraz strona na dysku jest taka sama, więc podczas usuwania strony z pamięci nie ma konieczności ponownego zapisywania jej na dysk.

Sprawdź też

• Pamięć komputerowa
• Pamięć wirtualna
• Adres pamięci