Динамическая трансляция виртуального адреса в реальный

Рис.2. Преобразование виртуального адреса

Рассмотрим систему переадресации с сегментацией памяти (рис2.).
В глобальной таблице компьютера хранятся сведения о нахождении таблицы сегментов каждой задачи. Адрес таблицы сегментов для выполняемой задачи загружается в управляющий регистр. По адресу таблицы и номеру сегмента виртуального адреса определяется адрес таблицы страниц. По адресу таблицы страниц и номеру страницы виртуального адреса определяется адрес страницы в таблице страниц (виртуальный адрес, который преобразуется в реальный в буфере быстрой переадресации). Из буфера быстрой переадресации считывается реальный адрес страницы. Полный реальный адрес равен реальному адресу страницы плюс номер ячейки памяти (смещение в странице).
Если разбиение на сегменты не используется, то для трансляции логического адреса используется двухуровневая таблица страниц. Виртуальный адрес интерпретируется как совокупность 3 элементов: указателя каталога страниц, указателя таблицы страниц и указателя слова на странице.
У каждого процесса (каждой задачи) есть один каталог страниц, который содержит адреса всех таблиц страниц для данного процесса. Указатель каталога страниц применяется для поиска каталога, из каталога определяется указатель таблицы страниц для данного процесса, по указателю таблицы страниц находится нужная таблица, из которой читается адрес, содержащий указатель для требуемой страницы (ее физический адрес). Остается определить реальный адрес данных, расположенных на этой странице. Указатель слова позволяет найти конкретный адрес на физической странице.
Но что делать, если количество страниц во всех линейных адресных пространствах выполняемых процессов превышает объем оперативной памяти и поэтому невозможно поставить в соответствие каждой из них свою страницу реальной памяти? Для решения этой проблемы дополнительно ведется учет присутствия страницы в физической памяти (вводится дескриптор страницы где предусмотрен флаг (бит) реального присутствия страницы в оперативной памяти). Наличие такого бита позволяет отметить часть страниц, непомещающихся в физической памяти, как временно отсутствующие.
Если происходит обращение к такой странице, то процессор формирует прерывание. Получив прерывание по отсутствию страницы, операционная система может записать одну из присутствующих в памяти страниц на диск и отметить ее как временно отсутствующую во всех адресных пространствах, в которых она была видна. На освободившееся место с диска считывается та страница, из-за которой произошло прерывание. Заполняются все таблицы, по которым ведется поиск данной страницы и в дескрипторе страницы устанавливается флажок ее реального присутствия в оперативной памяти.
После возврата из программы - обработчика прерывания процессор повторит попытку доступа к памяти, но теперь нужная страница уже отмечена как присутствующая и прерывания не произойдет. Если вновь потребуется та страница, которая была записана на диск, то снова произойдет прерывание, ведь эту страницу пометили как временно отсутствующую в памяти. В ответ на это прерывание на диск будет перемещена еще какая-нибудь страница, а на ее место с диска будет загружена требуемая.
Этот процесс называется страничным обменом или свопингом (paging или swapping). Страницы, помещаемые на диск хранятся в специальном файле, файле подкачки (swap-файле). Взаимодействие с файлом подкачки происходит значительно медленнее, чем с оперативной памятью компьютера, поэтому оптимизация работы с этим файлом зачастую дает возможность увеличить скорость работы системы памяти. Теоретически, наиболее оптимальным считается объем файла подкачки, превышающий объем установленной на компьютере оперативной памяти примерно в два раза.
Если страница не изменялась с момента последнего считывания с диска, то при ее замене другой страницей нет необходимости повторно записывать ее на диск. Можно просто пометить ее как отсутствующую. Для слежения за изменением страницы современные процессоры поддерживают еще один флаг в дескрипторе страницы. Другой важный флаг, который поддерживается аппаратурой процессора - это флаг обращения. Он устанавливается всегда, когда происходит обращение к странице на чтение или запись. Операционная система может время от времени просматривать страничные таблицы, проверять и сбрасывать этот бит, выявляя те страницы, которые часто используются программами.

Для того, чтобы уменьшить количество дисковых операций, операционная система использует ту или иную стратегию страничного обмена. Оптимальная стратегия состоит в том, чтобы возвращать на диск ту страницу, которая дольше всего не понадобиться программам. Одной из лучших стратегий страничного обмена является LRU (Least Recently Used). Алгоритм LRU предполагает, что на диск надо переносить ту страницу, которая дольше всего не использовалась. Существуют и более сложные алгоритмы, но обычно они базируются на LRU.
В некоторых случаях операционная система заранее знает, что определенные страницы, которые сейчас находятся на диске, понадобятся ей (или прикладным программам) в ближайшее время. Тогда она может заранее перенести их в оперативную память, не дожидаясь прерываний по отсутствию страницы. Такая операция называется страничной предвыборкой (page prefetch). Аналогичный прием может быть использован и для записи на диск пассивных страниц раньше, чем будет затребовано место, занимаемое этой страницей.