Защищенный режим и виртуальная память
Для того чтобы процессы не мешали друг другу (по недосмотру или умышленно) требуются меры принудительной защиты критических ресурсов. Современные операционные системы используют защищенный режим процессора, в котором эти меры реализуются на аппаратном уровне. Поскольку программа может взаимодействовать с подсистемами компьютера только через пространства памяти и портов ввода-вывода, а также аппаратные прерывания, то защищать нужно эти три типа ресурсов. Самую сложную защиту имеет память. Операционная система выделяет каждому процессу области памяти – сегменты – различного назначения и с разными правами доступа. Из одних сегментов можно только читать данные, в другие возможна и запись. Для программного кода выделяются специальные сегменты, инструкции могут выбираться и исполняться только из них. По отношению к принципу хранимости программы это является искусственным ограничением для фон-неймановской машины, но его целесообразность очевидна. Процессору «безразлично» содержимое ячейки памяти, на которую передалось управление, – он всегда пытается трактовать ее как код инструкции (или префикс). Если ошибочно управление передалось на область данных, то дальнейшее поведение процессора непредсказуемо – это так называемый «вылет». Защита не позволяет передать управление на сегмент данных – сработает исключение защиты, которое обрабатывается операционной системой, и ошибочный процесс будет принудительно завершен. Таким образом вероятность вылета уменьшается. Чтобы выдержать принцип хранимости программы, на время ее загрузки в память или программной модификации ту же область объявляют сегментом данных, в который разрешена запись. Система защиты может полностью контролировать распределение памяти, генерируя исключения в случаях различных нарушений. Конечно же, эффективность защиты (устойчивость компьютера к ошибкам) в значительной мере определяется предусмотрительностью разработчиков операционной системы.Чем сложнее программа и больше объем обрабатываемых ею данных, тем больше ее потребности в памяти. В первых процессорах семейства память предоставлялась в виде сегментов размером по 64 Кбайт, а суммарный объем программно адресуемой памяти не превышал значения в 1 Мбайт. Потребности решаемых задач довольно быстро переросли эти ограничения, и в процессоры ввели средства организации виртуальной памяти.
Виртуальная память (Virtual Memory) представляет собой программно-аппаратное средство расширения пространства памяти, предоставляемой программе в качестве оперативной. Эта память физически реализуется в оперативной и дисковой памяти под управлением соответствующей операционной системы.
Впервые они появились в 80286, но удобный для употребления вид приняли только в 32-разрядных процессорах (80386 и выше). Во-первых, было снято ограничение на 64-Кбайтный размер сегмента – теперь любой сегмент может иметь почти произвольный размер до 4 Гбайт. Во-вторых, был введен механизм страничной переадресации памяти (paging). Теперь любая страница (область фиксированного размера) виртуальной логической памяти (адресуемой программой в пределах выделенных ей сегментов) может отображаться на любую область физической памяти (реально установленной оперативной). Отображение поддерживается с помощью специальных таблиц страничной переадресации, в которых, кроме связи адресов, есть указание на присутствие страницы в физической памяти на данный момент времени. Теперь страница памяти, не нужная процессору в данный момент времени, может быть выгружена на устройство хранения (диск). На ее место можно загрузить нужную страницу. Заявку на загрузку нужной страницы делает сам процессор, без каких-либо усилий выполняемой программы: если программе потребовалась ячейка виртуальной памяти из страницы, образа которой сейчас нет в физической памяти, вырабатывается специальное исключение. Обработчик этого исключения (это часть ОС) найдет свободную физическую страницу (выгрузив на диск ту, которая, по его мнению, пока не нужна), «подкачает» на нее с диска требуемую информацию и вернет управление процессу, прерванному исключением. Этот процесс ничего «не заметит» (кроме некоторой задержки выполнения инструкций). Таким образом, в распоряжение всех процессов, исполняемых на компьютере псевдопараллельно, предоставляется виртуальная оперативная память, размер которой ограничен суммой объема физической оперативной памяти и областью дисковой памяти, выделенной для подкачки страниц.
