Компания IBM
Опубликован: 28.08.2008 | Доступ: свободный | Студентов: 461 / 64 | Оценка: 4.33 / 4.05 | Длительность: 31:19:00
Лекция 9:

Одноуровневая память

Трансляция адреса виртуальный—реальный


Таблица страниц — структура данных в памяти, содержащая RPN. При построении таблицы страниц в большинстве отличных от AS/400 реализаций виртуальной памяти, каждой странице виртуальной памяти соответствует одна запись в таблице. Номер виртуальной страницы — VPN — используется как индекс в таблице страниц для выбора одной из записей. Выбранная запись содержит номер реальной страницы — RPN, который затем становится частью реального адреса.

Описанная структура страничных таблиц используется многими системами, например System/370. Предположим, что у нас есть компьютер с 32разрядным виртуальным адресом и 4-килобайтной страницей. Размер VPN для этого адреса — 20 раз рядов. Если далее предположить, что одна запись страничной таблицы занимает 4-байта, то размер всей таблицы составит 4 МБ. Такая таблица очень велика, но все-таки приемлема для систем с большими объемами памяти. Однако, если виртуальный адрес больше 32 разрядов (48 или 64), то размер обычной страничной таблицы становится неприемлемо большим.

System/38 была первой из массовых вычислительных систем, где использовалась инвертированная таблица страниц. В такой таблице содержится по одной записи на каждую реальную страницу (страничный фрейм) памяти, а не на каждую виртуальную страницу памяти, расположенную на диске. Общий размер такой инвертированной таблицы прямо зависит от размера памяти. Чем больше память, тем больше размер таблицы, но доля памяти, занятая таблицей остается неизменной.

Самое сложное в инвертированной таблице страниц — нахождение нужной записи. Теперь нельзя напрямую использовать VPN как индекс в таблице, так как нет однозначного соответствия между VPN и записью таблицы. Необходим какой-то иной способ. Прием, используемый в AS/400, заключается в применении к VNP для определения записи страничной таблицы хеш-функции.

Хеширование


Хеширование всегда было концепцией, трудной для объяснения. Хешфункция AS/400 сначала выполняет над несколькими старшими и младшими разрядами VPN операцию "Исключающее или". Затем между полученным значением и разрядами маски из специального регистра, содержащего размер страничной таблицы, выполняется операция "И". Наконец, для результата и реального адреса страничной таблицы выполняется операция "Или", которая и дает 52-разрядный реальный адрес в страничной таблице. Очень мало людей понастоящему понимает, зачем и как работает хеш-функция. Тем не менее, желающих проникнуть в ее секреты всегда было достаточно.

Несколько лет назад, раздумывая нет тем, как объяснить хеширование разработчикам System/38, я бродил по магазину Sears в Рочестере. Чуть раньше я отправил заказ в отдел продаж по каталогу и хотел узнать, был ли он получен. Когда я поинтересовался об этом в столе заказов, у меня спросили две последние цифры моего телефона. Я назвал: "83". На стене за спиной служащего располагалось сто отделений, пронумерованных от 00 до 99. Работник магазина вытащил стопку бумаги из отделения 83 и начал искать мой заказ. После того как заказ был найден, мне сказали, что выписанный товар еще не получен. Я немедленно выпалил в ответ: "У Вас только что произошла страничная ошибка". Сотрудник Sears ничего не понял и был несколько удивлен. Зато я внезапно осознал, как объяснить хеширование.

Sears использовал хешфункцию для отслеживания полученных заказов, точно так же, как мы отслеживаем, какие страницы находятся в памяти. Было решено уникально идентифицировать клиента по имени и номеру телефона. Вместо того, чтобы хранить запись о каждом клиенте, который мог бы сделать заказ, компания решила хранить записи только о тех клиентах, которые сделали заказ, но еще не забрали его. Для ускорения поиска сотрудник выбрал только часть полной идентификации клиента — две последние цифры телефонного номера. Таким образом, все сделанные заказы были отсортированы по этим двум последним цифрам. Чтобы получить информацию о выполнении заказа, необходимо было в поисках имени заказчика просмотреть лишь одно из 100 отделений.

Функция, использовавшаяся Sears (выбор двух последних цифр телефонного номера), давала достаточно равномерное распределение заказов по ста отделениям, то есть для поиска в каждом из отделений требовалось примерно одинаковое количество времени. Если бы, например, Sears использовал первые две цифры телефонного номера, то некоторые отделения были бы просто забиты, а остальные — пусты (почти в каждой местности большинство телефонов начинается одинаково), так что выбор первых двух цифр дал бы плохое распределение. Аналогично, комбинация операций, используемых для создания хешкода в AS/400, гарантирует равномерное распределение по "отделениям" таблицы страниц.

В AS/400 эквивалент отделения Sears — группа записей страничной таблицы (PTEG). Каждая PTEG содержит восемь записей таблицы (PTE). Алгоритм хеширования определяет одну из таких PTEG. Затем, необходимо просмотреть восемь записей группы, чтобы найти VPN, совпадающий с VPN транслируемого виртуального адреса. Данный поиск необходим, так как на одну и ту же PTEG отображается много виртуальных адресов. Аналогичная ситуация в Sears — одни и те же две цифры могут быть последними в телефонных номерах нескольких клиентов. Номер отделения говорит лишь о том, что все заказы в данном отделении принадлежат людям, телефонные номера которых заканчиваются на две эти цифры. Для того чтобы найти заказ конкретного клиента, необходимо просмотреть все заказы в отделении.

Число сделанных, но не полученных клиентами заказов может изменяться в течение дня, и Sears пришлось это учесть. Они использовали фиксированное число отделений с переменным числом записей в каждом. AS/400 тоже использует фиксированное число отделений, но как мы только что видели, число записей в отделении также фиксировано. Данный VPN может быть, а может и не быть найден в одном из восьми PTE. Если число записей не умещается в PTEG, то используется вторичная таблица страниц, которая содержит переменное число записей.

В большинстве реализаций AS/400 количество PTEG равно, как минимум, половине общего количества реальных страниц памяти. Учитывая, что в каждой PTEG 8 записей, таблица данного размера способна отображать в четыре раза больше страниц, чем может поместиться в память. Другими словами, среднее число используемых PTE на PTEG равно лишь двум. Это среднее значение подразумевает, что функция хеширования обеспечивает равномерное распределение по всем PTEG. Впрочем, могут возникнуть и ситуации, когда на одну или несколько PTEG будет приходиться более восьми записей. В таких случаях, дополнительные записи хранятся во вторичной таблице страниц. Представьте себе, что одно из отделений Sears слишком переполнено, и все заказы в нем не помещаются. Тогда некоторые из заказов необходимо хранить не в отделении, а гдето еще. Это "гдето еще" и есть эквивалент вторичной таблицы страниц.

В AS/400 если PTE не найдена ни в первичной, ни во вторичной таблице страниц, значит в памяти ее нет, и мы имеем дело со страничной ошибкой. Компонент управления памятью SLIC должен обратиться к диску и перенести запрошенную страницу в память. Необходимо также обновить таблицу страниц, чтобы отразить присутствие новой страницы в памяти. Конечно, для освобождения места под новую страницу компонент управления памятью должен удалить какуюто другую страницу.

Следующие три раздела содержат по-настоящему "острую" информацию, так что я пометил их тремя перцами.

В первом рассматривается процесс трансляции виртуального адреса в реальный и использование для этого записей таблицы страниц. Этот раздел предназначается тем читателям, которые любят "играть" с битами.

Следующий раздел описывает, как SLIC или транслятор могут управлять доступом к памяти каждой страницы. Такое управление требуется многоканальным RISC-процессорам с многоуровневой памятью, выполняющим операции с памятью не в том порядке, в какой они следуют в потоке команд. В архитектуре PowerPC имеется четыре бита управления режимами, которые могут использоваться программами, и я кратко опишу их, несмотря на то, что тема может показаться очень сложной.

Наконец, третий раздел касается защиты доступа к странице. Каждая страница может рассматриваться как страница чтения/записи, страница только для чтения или недоступная страница, в зависимости от текущего состояния процессора и ключей защиты в таблице сегментов и страничной таблице. Это тема также крайне сложна.

Итак, если Вам хочется чего-то более "острого", чем предыдущие несколько разделов. то попробуйте один из следующих трех или их все.

Запись страничной таблицы


Каждая PTE занимает 16 байтов, как показано на рисунке 8.6. Первое поле каждой записи состоит из 57 разрядов и называется сокращенным номером виртуальной таблицы AVPN (abbreviated virtual page number). Внимательные читатели помнят по рисунку 8.4, что полный VPN содержит только 52 разряда. Как же сокращенная форма может быть длиннее? Дело в том, что архитектура PowerPC разработана для поддержки виртуальных адресов длиной до 80 разрядов. Для 80-разрядного виртуального адреса VPN должен состоять из 68 разрядов, так что 57 разрядов — это действительно сокращенная форма. AVPN может использоваться вместо полного VPN, так как, по крайней мере, 11 младших разрядов VPN применяются хеш-функцией и их повторения не требуется. Вспомните пример с магазином: Sears не был обязан включать последние две цифры номера телефона клиента в форму заказа, так как эти цифры используются хешфункцией и их не нужно заново проверять при поиске. AVPN для 64-разрядного виртуального адреса в AS/400 составляет лишь 41 разряд, а его старшие 16 разрядов установлены в 0.

Формат записи страничной таблицы

Рис. 8.6. Формат записи страничной таблицы

Все PTE в PTEG последовательно просматриваются для сравнения VPN с виртуальным адресом. Если в одной из PTE обнаружен нужный AVPN и разряд действительности установлен (V=1), то 40-разрядный RPN из этой записи передается аппаратуре адресации памяти, где к нему присоединяется 12-разрядное смещение для получения реального адреса.

Другие биты PTE предоставляют дополнительную информацию о странице. Биты SW зарезервированы для использования компонентом управления памятью SLIC. Бит H определяет, находится ли данная запись в первичной или во вторичной страничной таблице страниц, которые используют несколько различающиеся хешфункции. Бит TS задает, содержит ли данная страница указатели и, таким образом, имеет некоторые биты тега равными 1. Бит AC, если он включен, приводит в действие механизм сравнения адреса, который позволяет обнаруживать загрузки и сохранения в блок памяти. Аппаратура устанавливает биты R и C в 1 всякий раз при обращении к данной странице (бит R) или при ее изменении (бит C). Оставшиеся биты имеют отношение к режимам доступа и защите страницы (мы рассмотрим их несколько позже).

Следует несколько задержаться на битах R и С. Управление памятью использует их значения для определения страницы, которую следует удалить из памяти, когда возникает страничная ошибка и в память необходимо считать новую страницу. Управление памятью также использует эти разряды всякий раз, когда другой компонент SLIC или транслированная программа MI запрашивает операции переноса, очистки или сброса.

Для ускорения поиска кандидата на замещение, управление памятью поддерживает "список поиска" всех страничных фреймов, которые могут быть замещены. При страничной ошибке (или при выполнении операций переноса и очистки) управление памятью вначале ищет в этом списке страничный фрейм, для которого оба бита R и С равны 0. Данная комбинация означает, что в недавнем прошлом страница не использовалась и не была изменена — значит, это лучший кандидат на замещение. После замещения страницы все биты R устанавливаются в значение 0. Таким образом, биты R позволяют определить, к каким страницам происходило обращение после последнего замещения страницы. Для тех страниц, которые не использовались недавно, значения R равны 0.

Если алгоритм замещения страницы в процессе просмотра списка поиска обнаруживает страничный фрейм, который был изменен, но давно не использовался (R=0, C=1), то такой фрейм помещается в "список изменений". Когда в этом списке набирается достаточное число страниц, запускаются одна или несколько задач откачки страниц. Страницы записываются на диск и возвращаются в список поиска (с С равным 0), где становятся кандидатами на замещение, если будут снова востребованы. Откачка страниц предотвращает заполнение памяти измененными страницами, к которым давно не было обращений.

Ясно, что поиск по таблице страниц занимает много времени — настолько много, что выполнять его при каждом обращении к памяти слишком накладно. По счастью, если страница недавно была востребована, велика вероятность, что в ближайшем будущем обращение к ней последует снова. Этот принцип лежит в основе использования справочных буферов: если Вы хотите снова использовать данную запись таблицы страниц, храните ее в регистре, чтобы обращение к ней происходило быстро. Для высокой производительности аппаратно поддерживается справочный буфер трансляции (TLB), содержащий PTE, использованные недавно. Поиск в TLB выполняется перед поиском в таблице страниц. Время поиска в TLB очень мало по сравнению с временем поиска в таблице страниц. Обычно, размер TLB достаточно велик, с расчетом, чтобы не менее 95 процентов трансляций выполнялось без необходимости обращения к таблице страниц.

Режимы доступа к памяти


Все обращения к памяти в AS/400 выполняются под управлением четырех битов режима: "Сквозная запись" W (Write Through), "Кэширование запрещено" I (Caching Inhibited), "Когерентность памяти" M (Memory Coherence ) и "Отслеживаемая память" G (Guarded Storage). Одна из характеристик RISCпроцессоров — способность программ контролировать аппаратуру. Значения этих четырех разрядов устанавливаются SLIC для обеспечения части такого контроля на уровне страниц. При всех транслируемых обращениях значения разрядов берутся из PTE. Для всех реальных адресов (E=R или при отключенном перемещении) подразумевается, что биты имеют значения 0, 0, 1 и 1. Биты W и I управляют тем, как процессор использует свой кэш данных. Бит M (обычно используется на многопроцессорных системах) задает, должен ли процессор гарантировать когерентность памяти. Бит G контролирует выборку данных и команд вне порядка их следования.

Приведем некоторую дополнительную информацию о назначении каждого из этих разрядов:

  1. W (Write Through)— сквозная запись. Если W=1, то любое изменение кэша данных записывается и в основную память. Этот разряд устанавливается, если данные в основной памяти должны быть постоянно в актуальном состоянии, например, потому что они используются несколькими процессорами. Команды загрузки будут использовать копию данных из кэша, если она там есть. При сохранении будут обновляться копии в кэше и основной памяти.
  2. I (Caching Inhibited)— кэширование запрещено. Если I=1, то доступ выполняется непосредственно к основной памяти. Во время обращения ни данные по этому адресу, ни содержащий их блок памяти не копируются в кэш. Отключение кэширования может быть полезно при последовательной обработке больших блоков данных, которая иначе будет вызывать постоянную смену содержимого кэша.
  3. M (Memory Coherence) — когерентность памяти. Если M=1, то процессор должен гарантированно обеспечивать когерентность данных. Под когерентностью понимают упорядочение операций записи по данному адресу памяти. Дело в том, что для повышения производительности аппаратура управления памятью иногда может записывать данные в память не в том порядке, в котором процессор выдает команды сохранения. Такой механизм может вызвать проблемы, если область памяти совместно используется несколькими процессорами и порядок операций записи в данную область памяти важен. Установка данного бита для страницы упорядочивает операции записи в эту страницу, выполняемые всеми процессорами.
  4. G (Guarded Storage) — отслеживаемая память. Если G=1, то выборка данных и команд вне порядка их следования с данной страницы запрещена. Для более высокой производительности некоторые процессоры могут выполнять команду до того, как это потребуется при последовательном выполнении. Предположим, например, что у некоторого процессора имеется конвейер команд, не занятый в течение данного цикла. Если далее в потоке команд есть подходящая для конвейера, то процессор начнет ее выполнять. Это называется выполнением вне порядка следования. Конечно, машина должна вести себя в соответствии с моделью последовательного выполнения. Если до того момента, когда процессор в нормальном случае дошел бы до команды, выполненной вне порядка следования, происходит переход или прерывание, то состояние процессора должно быть восстановлено так, как если бы он никогда не выполнял эту команду. Иногда поведение области памяти может не соответствовать модели опережающего выполнения. Например, если область памяти используется устройством ввода-вывода, то опережающая запись в нее может вызвать выполнение ошибочной операции. Если SLIC необходимо гарантировать, что подобного не произойдет, то для соответствующей страницы можно включить бит G.

Защита страниц


С трансляцией адреса связан еще один вопрос — защита памяти. Механизм защиты памяти AS/400 обеспечивает защиту для блоков размером в одну страницу, в отличие от битов тега, защищающих указатели в 16байтовых блоках памяти. Разница и в том, что теги не предотвращают доступа к указателю, а лишь определяют факт модификации после того, как она уже произошла. Механизм защиты страниц может предохранить страницу от чтения или записи.

PTE содержит два бита защиты страниц (PP), которые вместе с битом MSRUS используются для определения разрешенного типа доступа к странице. Вспомним, что бит MSRUS установлен в 1 при исполнении пользовательского кода, и в 0 — при исполнении кода ОС. В таблице 8.1 показаны типы доступа, разрешенные для каждого сочетания. Доступ "чтение/запись" означает, что исполняющаяся программа может читать и изменять страницу; доступ "только чтение" — что программа может читать, но не изменять страницу; и "нет доступа" — что программа не может ни читать, ни изменять страницу. На рисунке также показано основное назначение режимов защиты и разрешенные типы доступа к странице по значению ключа и разрядов PP. Например, весь сгенерированный MI код и константы хранятся на страницах, доступных только для чтения.

Таблица 8.1. Защита страниц
PP MSRUS=0 (код ОС) MSRUS= 1(код пользователя) Использование
00 Чтение/запись Нет доступа Пространства системных областей MI
01 Чтение/запись Только чтение Пространства управления процессами MI; ассоциированные пространства программных объектов
10 Чтение/запись Чтение/запись Пространства пользовательских областей
11 Только чтение Только чтение Сгенирированный код MI и константы

Ну, вот, мы и выбрались из этих "наперченных" разделов. Давайте теперь рассмотрим управление дисками, и то, как оно сочетается с одноуровневой памятью. Эта тема должна быть для большинства читателей значительно более удобоваримой.

Александр Качанов
Александр Качанов
Япония, Токио
Олег Корсак
Олег Корсак
Латвия, Рига