Сокращение потерь времени при использовании сегментно-страничной организации памяти в персональной ЭВМ

Преобразование логического адреса в физический при сегментно-страничной организации памяти требует, как минимум, трех обращений к системным таблицам, расположенным в оперативной памяти (таблице дескрипторов, КТС и ТС). Это может привести к существенному снижению производительности компьютера. Механизм сокращения потерь времени на такое преобразование основывается на том факте, что изменение состояния сегментных регистров производится относительно редко, например, при переключении ЭВМ на новую задачу, а новое страничное преобразование требуется лишь при выходе программы за пределы загруженной в оперативную память страницы.

При сегментном преобразовании адреса после первого считывания дескриптора из таблицы дескрипторов, расположенной в оперативной памяти (например, после изменения состояния сегментного регистра при переключении на новую задачу), он запоминается в программно-недоступных ("теневых") регистрах микропроцессора (рис. 16.4). При последующих обращениях к данному сегменту используется дескриптор из "теневого" регистра без обращения к ОП. Поэтому на его вызов требуется минимальное время. Так как состояние сегментных регистров меняется относительно редко, то такой подход приводит к значительной экономии времени при сегментном преобразовании адреса.

Рис. 16.4. Сохранение дескрипторов сегментов в "теневых" регистрах микропроцессора

При страничном преобразовании номера виртуальной страницы в номер физической страницы используется кэш-буфер ассоциативной трансляции (TLB), содержащий физические адреса 32-х наиболее активно используемых страниц (рис. 16.5) и расположенный непосредственно в микропроцессоре.

Рис. 16.5. Формат буфера ассоциативной трансляции адреса страницы

Номер виртуальной страницы представляет собой старшие 20 разрядов линейного адреса, полученного при сегментном преобразовании (А31 - А12). По младшим разрядам (А14 - А12) этого номера выбирается блок в буфере ассоциативной трансляции. Содержимое поля тэгов каждой из четырех строк этого блока ассоциативным образом (одновременно) сравнивается с разрядами (А31 - А15) линейного адреса. Если значения для одной из строк выбранного блока совпали, значит, номер этой виртуальной страницы уже преобразовывался в номер физической страницы и результат этого преобразования находится в найденной строке TLB. Если сравнение не было успешным, то преобразование номера виртуальной страницы в номер физической проходит обычным образом через обращения к каталогу таблиц страниц и к таблице страниц, а полученное значение заносится в TLB. При этом в поле тэгов заносятся старшие 17 разрядов линейного адреса этой страницы (A31-A15). Если нет свободной строки в блоке, определяемом разрядами А14 - А12 линейного адреса, то из блока вытесняется строка, информация в которой дольше всего не использовалась (механизм LRU).

17. Лекция: Защита памяти в мультипрограммных ЭВМ
Страницы: 1 | 2 | вопросы | »	| учебники | для печати и PDA | ZIP
Если Вы заметили ошибку - сообщите нам, или выделите ее и нажмите Ctrl+Enter
Рассматриваются требования к системе защиты информации, общие подходы к организации защиты памяти мультипрограммных ЭВМ, а также организация защиты памяти в персональной ЭВМ.
Организация защиты памяти в ЭВМ При мультипрограммном режиме работы ЭВМ в ее памяти одновременно могут находиться несколько независимых программ. Поэтому необходимы специальные меры по предотвращению или ограничению обращений одной программы к областям памяти, используемым другими программами. Программы могут также содержать ошибки, которые, если этому не воспрепятствовать, приводят к искажению информации, принадлежащей другим программам. Последствия таких ошибок особенно опасны, если разрушению подвергнутся программы операционной системы. Другими словами, надо исключить воздействие программы пользователя на работу программ других пользователей и программ операционной системы. Следует защищать и сами программы от находящихся в них возможных ошибок. Таким образом, средства защиты памяти должны предотвращать [2] неразрешенное взаимодействие пользователей друг с другом, несанкционированный доступ пользователей к данным, повреждение программ и данных из-за ошибок в программах, намеренные попытки разрушить целостность системы, использование информации в памяти не в соответствии с ее функциональным назначением. Чтобы воспрепятствовать разрушению одних программ другими, достаточно защитить область памяти данной программы от попыток записи в нее со стороны других программ, а в некоторых случаях и своей программы (защита от записи), при этом допускается обращение других программ к этой области памяти для считывания данных. В других случаях, например при ограничениях на доступ к информации, хранящейся в системе, необходимо запрещать другим программам любое обращение к некоторой области памяти как на запись, так и на считывание. Такая защита от записи и считывания помогает в отладке программы, при этом осуществляется контроль каждого случая обращения за область памяти своей программы. Для облегчения отладки программ желательно выявлять и такие характерные ошибки в программах, как попытки использования данных вместо команд или команд вместо данных в собственной программе, хотя эти ошибки могут и не разрушать информацию (несоответствие функционального использования информации). Если нарушается защита памяти, исполнение программы приостанавливается и вырабатывается запрос прерывания по нарушению защиты памяти. Защита от вторжения программ в чужие области памяти может быть организована различными методами. Но при любом подходе реализация защиты не должна заметно снижать производительность компьютера и требовать слишком больших аппаратурных затрат. Методы защиты базируются на некоторых классических подходах, которые получили свое развитие в архитектуре современных ЭВМ. К таким методам можно отнести защиту отдельных ячеек, метод граничных регистров, метод ключей защиты [7]. Защита отдельных ячеек памяти организуется в ЭВМ, предназначенных для работы в системах управления, где необходимо обеспечить возможность отладки новых программ без нарушения функционирования находящихся в памяти рабочих программ, управляющих технологическим процессом. Это может быть достигнуто выделением в каждой ячейке памяти специального "разряда защиты". Установка этого разряда в "1" запрещает производить запись в данную ячейку, что обеспечивает сохранение рабочих программ. Недостаток такого подхода - большая избыточность в кодировании информации из-за излишне мелкого уровня защищаемого объекта (ячейка). В системах с мультипрограммной обработкой целесообразно организовывать защиту на уровне блоков памяти, выделяемых программам, а не отдельных ячеек. Метод граничных регистров (рис. 17.1) заключается во введении двух граничных регистров, указывающих верхнюю и нижнюю границы области памяти, куда программа имеет право доступа. Рис. 17.1. Защита памяти методом граничных регистров При каждом обращении к памяти проверяется, находится ли используемый адрес в установленных границах. При выходе за границы обращение к памяти не производится, а формируется запрос прерывания, передающий управление операционной системе. Содержание граничных регистров устанавливается операционной системой при загрузке программы в память. Модификация этого метода заключается в том, что один регистр используется для указания адреса начала защищаемой области, а другой содержит длину этой области. Метод граничных регистров, обладая несомненной простотой реализации, имеет и определенные недостатки. Основным из них является то, что этот метод поддерживает работу лишь с непрерывными областями памяти. Метод ключей защиты, в отличие от предыдущего, позволяет реализовать доступ программы к областям памяти, организованным в виде отдельных модулей, не представляющих собой единый массив. Память в логическом отношении делится на одинаковые блоки, например, страницы. Каждому блоку памяти ставится в соответствие код, называемый ключом защиты памяти, а каждой программе, принимающей участие в мультипрограммной обработке, присваивается код ключа программы. Доступ программы к данному блоку памяти для чтения и записи разрешен, если ключи совпадают (то есть данный блок памяти относится к данной программе) или один из них имеет код 0 (код 0 присваивается программам операционной системы и блокам памяти, к которым имеют доступ все программы: общие данные, совместно используемые подпрограммы и т. п.). Коды ключей защиты блоков памяти и ключей программ устанавливаются операционной системой. В ключе защиты памяти предусматривается дополнительный разряд режима защиты. Защита действует только при попытке записи в блок, если в этом разряде стоит 0, и при любом обращении к блоку, если стоит 1. Коды ключей защиты памяти хранятся в специальной памяти ключей защиты, более быстродействующей, чем оперативная память. Функционирование этого механизма защиты памяти поясняется схемой на рис. 17.2. Рис. 17.2. Защита памяти методом ключей защиты При обращении к памяти группа старших разрядов адреса ОЗУ, соответствующая номеру блока, к которому производится обращение, используется как адрес для выборки из памяти ключей защиты кода ключа защиты, присвоенного операционной системой данному блоку. Схема анализа сравнивает ключ защиты блока памяти и ключ программы, находящийся в регистре слова состояния программы (ССП), и вырабатывает сигнал "Обращение разрешено" или сигнал "Прерывание по защите памяти". При этом учитываются значения режима обращения к ОЗУ (запись или считывание), указываемого триггером режима обращения ТгРО, и режима защиты, установленного в разряде режима обращения (РРО) ключа защиты памяти.