Порттар. Батырмалар. Шамдар. Порттар

13-ші  сурет

      Ығыстыру  тәсілі  жадының барынша нәтижелі қолданылуына алып келсе де, ол аталған  тәсілдің басымдылықтарын асып өтетіндей  біршама уақыттың қолданылуын талап етеді.

      Диск  кеңістігін қолданыла  отырып жадыны бөлістіру  тәсілдері

      Виртуалды жады түсінігі

      Тұтынушылар бағдарлама жады қолданыстағы бос жады көлемінен асып түсетін ахуалмен кездесуі таңданарлық жайт емес. Шешім  ретінде бағдарламаны оверлеялар деп аталынатын бөліктерге бөлістіру тәсілі қарастырылды. 0-дік оверлей алғашқы орындалуға төнді. Қызметін тамамдаған соң ол келесі ретте тұрған оверлейге орындалу ретін табыстайды. Барлық оверлеялар дискіде сақталынып, диск пен жады арасынан операционды жүйе құралдарымен орын алмастырып отырды. Дегенмен бағдарламаны бөліктерге бөлу мен олардың оперативті жадыға енуін программист орындауы қажет.

      Аталған бағытта есептеуіш үрдісті ұйымдастыру  тәсілдерін дамыту виртуалды жады деп аталынатын жаңа тәсілдің пайда болуына түрткі болды. Виртуалды жады – тұтынушыларға көлемі қолданыстағы оперативті жады көлемінен асып түсетін бағдарламаларды жазуға мүмкіндік беретін бағдарлама-аппараттық құралдардың жиынтығы; аталған мақсатта виртуалды жады келесі міндеттіліктерді орындайды:

• Түрлі есте сақтау құрылғыларына деректерді орнықтырады, мысалға бағдарлама жартысы - оперативті жадыда, жартысы – дискіде.
• Қажетті жағдайда түрлі есте сақтау құрылғылары арасында деректердің орнын ауыстырады, мысалға, бағдарламаның қажетті бөлігін дискіден оперативті жадыға орнықтырады.
• Виртуалды мекен-жайларды физикалыққа түрлендіреді.

      Аталған әрекеттердің барлығы автоматты түрде орындалып, программист көмегін қажет етпейді, яғни выиртуалды жады механизмі тұтынушыға қарасты мөлдір болады.

      Виртуалды жадыны қолданылудың кеңінен таралған орындаулары – жадыны парақтық, сегменттік және парақтық-сегменттік бөлістіру мен свопинг болып  табылады.

      Парақтық  бөлістіру

      Жадыны  парақтық бөлістіру сызбанұсқасы бейнеленген. Әрбір үрдістің виртуалды мекен-жай кеңістігі виртуалды парақтар делінетін аталған жүйе мөлшерінің тең, фиксирленген бөліктеріне бөлінеді. Жалып жағдайда, виртуалды мекен-жай кеңістігінің көлемі парақ көлеміне тең келмейді, сондықтан да әрбір үрдістің соңғы парағы фиктивті, я болмаса жалған облыстармен толыға түседі.

      Машинаның бүтін дерлік оперативті жадысы физикалық  блоктар делінетін тең көлемді  бөліктерге бөлінеді. Парақ өлшемі екілік дәрежесіне тең тұрғыда талғанады: 512, 1024 жыне тағы да басқалары. Бұл мекен-жайлардың  түрлену үрдістерін жеңілдетуге ықпал етеді.

      Үрдістің  қосылуы барысында оның виртуалды  парақтарының теңдей бөлігі оперативті жадыға, ал қалғандары – дискіге  орнығады. Ұқсас виртуалды парақтардың  ұқсас физикалық парақтарды орнығуы  міндет емес. Қосылу барысында операционды жүйе әрбір үрдіске тиесілі ақпараттық құрылымды қалыптастырады. Ол оперативті жадыға енгізілген парақтардың виртуалды және физикалы парақтарының кнөмерлерінің сәйкестілігі нақтыланатын парақтар кестесі. Одан өзге парақтар кестесінде парақтың модификация белгілері, іске қосылмау белгісі, және виртуалды жады механизмімен қолданылатын өзге де деректер іспеттес басқарушы ақпараттар болады.

      Үрдісті процессордың арнайы тіркелімдемесіне белсендіру барысында аталған үрдістің парақтар кестесі іске қосылады.

      Әрбір жадыға төну кезінде сұраныс салған виртуалды жады жөніндегі ақпарат парақтар кестесінен оқыла бастайды. Егер де аталған виртуалды парақ оперативті жадыда орнықса, онда виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрленуі орындалады. Ал егер қажетті виртуалды парақ дискіге көшірілсе, онда парақтық үзілістің болуы ықтимал. Орындалудағы үрдіс кідіріс жағдайына алмастырылып, дайын үрдістер реттлігіндегі келесі үрдіс белсендіріледі. Параллелді тұрғыда парақтық үзілістің өңдеу бағдарламасы дискіде қажетті виртуалды парақты іздестіріп, оны оперативті жадыға көшіруге тырмысады. Егер жадыда бос физикалық парақ бола жатса, онда қосылу дәл сол мезетте орындалады, кері жағдайда – оперативті жадыдан қандай парақты қосу қажеттіліг талқыланады.  

       14-ші сурет.

      Аталған жағдайда түрлі құрамды  критерийлердің біршама бөлігі қолданылуы мүмкін, мысалға:

• Ең ұзақ қолданысқа төнбеген парақ
• Алғаш көзге түскен парақ
• Соңғы уақытта төнулер аз болған парақтар

      Жадыны  парақтық бөлістіру кезіндегі виртуалды  мекен-жайдың физикалыққа түрлену  механизмін қарастыралық (14-ші сурет).

       Жадыны парақтық бөлістіру кезіндегі  виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрлену  механизмі 

      Парақтық  бөлістіру кезінде виртуалды мекен-жай жұп түрінде берілуі мүмкін, мұндағы (p, s) p – үрдістің виртуалды парақ нөмірі (парақтардың нөмірленуі 0-ден басталады), ал s – виртуалды парақ шегінде орын алмастыру. Парақ өлшемі 2 тең екендігін ескере отырып, к дәрежесінде   s орын алмастыруы  кіші разрядты k виртуалды мекен-жайдың екілік бөлігінде бөлістірудің қапарайым тәсілімен орындалуы мүмкін. Қалған разрядтар р парағының екілік жазбасын бейнелейді.

      Аппараттық  құралдармен оперативті жадыға төну барысында келесі әрекеттіліктер орындалады:

1. парарқар кестесінің бастапқы мекен-жайлары (парақтар кесесінің тіркелімдеме құрамы, виртуалды парақ нөмірлері (үлкен виртуалды мекен-жай разрядтары), парақтар кестесіндегі жазба ұзақтығы (жүйелі константа, яғни тұрақтылық ) негізінде кестедегі қажетті жазбаның мекен-жайы анықталады.
2. Аталған жазбадан физикалық парақтың нөмірі алынады.
3. физикалық парақ нөміріне орын алмастыру қосылады (виртуалды мекен-жайлардың кіші разрядтары).

      Жадының парақтық ұйымдастырылуы бар жүйе өнімділігіне парақтық үзілістер мен виртуалды  мекен-жайдың физикалыққа түрленуіне жұмсалған уақыттық шығындар ықпал  етеді. Жиі қайталанатын парақтық үзілістерде жүйе парақтар свопингіне біршама уақытты бос кетіруі мүмкін. Прақтық үзілістердің жиілігін қысқарту мақсатында парақ көлемін ұлғайтуымызға болады. Одан өзге, парақ көлемін ұлғайту – парақтар кестесінің көлемін кішірейтіп, жады шығындарын да қысқартады. Басқа жағынан, егер де парақ ауқымды болса, яғни әрбір бағдарламаның виртуалды жадындағы фиктивті, яғни жалған облыс та ұлғая түседі деген сөз. Виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрлену уақыты – парақтар кестесіне қол жеткізу уақыты дәрежесімен анықталады. Осыған орайлас, парақтар кестесін "жылдам" есте сақтағыш құралдарына сақтауға әрекеттенеді.  Бұл мысалға, қол жеткізу уақыты, ассоциативті іздестіру мен деректерді кэширлеу уақытын қысқарту мақсатында қолданылатын арнайы тіркелімдемелер мен жады жиынтығы болуы мүмкін.

      Сегментті бөлістіру

      Виртуалды ұйымдастыру кезінде (15-ші сурет) үрдістің виртуалды мекен-жай кеңістігі  ақпараттың мағыналылығын ескерілуімен программистпен анықталатын сегменттерге жіктеледі. Жекелеген сегмент бағдарлама, деректер массивін келтіруі мүмкін. Кей жағдайларда бағдарлама сегменттелуі компилятордың көмегімен қалыпты жағдайда орындалады. 

      15-ші  сурет.

      Үрдістің  қосылуы барысында сегменттердің  теңдей бөлігі оперативті жадыға (бұл  ретте әрбір сегмент үшін операционды жүйе бос жадының сәкес орнын іздестіреді), ал екінші бөлігі – диск жадыға орнығады. Бір бағдарлама сегменттері оперативті жадыда аралас учаскелерді алуы мүмкін. Қосылу барысында жүйе үрдістің сегменттер кестесін қалыптастырып, онда әрбір сегмент үшін  оперативтіжадыда сегменттің бастапқы физикалық мекен-жайы, көлемі, қол жеткізу ережелері, модификация белгілері, сегментке соңғы төнулер тізімі жөніндегі ақпарат  белгіленеді. Егер де кейбір үрдістердің виртуалды мекен-жай кеңістіктері бір сегментті қосқан болса, онда аталған үрдістердің сегменттер кестесінде сегмент қосылатын оперативті жады учаскесіне қарасты нұсқаулар орындалады.

      Сегментті ұйымдастырылуы бар жүйе парақтық ұйымдастырылуы бар жүйеге ұқсас қызмет етеді: жадыда қажетті сегменттердің болмауынан үзілістер болып отырады, жадыны босатудың қажетті жағдайында кей сегменттер шығарылып отырады, оперативті жадыға төну барысында виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрленуі орындалып отырады. Одан өзге жадыға төну кезінде қажетті типтің аталған сегменткеқол жеткізілуіне рұқсат етілгендігі тексеріледі. 

     Жадыны  Сегментті ұйымдастырудағы виртуалды  мекен-жай жұппен берілуі мүмкін (g, s),  мұндағы g – сегмент нөмірі, а s – сегменттегі орын алмастыру. Физикалық мекен-жай g нөмірі бойынша кестеде табылған сегменттің бастапқы мекен жайы мен s орын алмастыруы көрсеткіштерінің қосылуы жолымен алынады.

      Аталған тәсілдің кемшіліктері – сегменттер деңгейіндегі фрагменттену, яғни бөлшектену мен парақтық ұйымдастырылумен салыстырғандағы түрлендіру үзақтығы болып табылады.

      Парақтық-сегменттік бөлістіру

      Аталған тәсіл жадының парақтық және сегменттік бөлістірілуінің комбинацисы ретінде  танылады. Үрдістің виртуалды кеңістігі  сегменттерге бөлінеді, ал әрбір сегмент сегмент шегінде нөмірленетін виртуалды парақтарға бөлінеді. Оперативті жады физикалық парақтарға жіктеледі. Үрдістің қосылуы парақтық тұрғыда операционды жүйемен орындалады, бұл ретте парақтардың бір бөлігі оперативті жадыда, ал екіншісі – дискіге жазылып отырады. Әрбір сегмент үшін  құрылымы парақтық бөлістіру кезінде қолданылатын парақтар кестесінің құрылымымен пара-пар келеді. Әрбір үрдіс үшін аталға үрдістің барлық сегменттеріне парақтар кестесінің мекен-жайы белгіленеді. Сегменттер кестесінің мекен-жайы сәйкес үрдіс белсендірілгенде процессордың арнайы тіркелімдемесіне енгізіледі.

      Свопинг

      Свопинг – виртуалды жады түрлілігі. Есептің  орындалуына қажетті талап –  оның көлемі шектелген оперативті жадыға жазылуы. Бұл талаптарда свопинг  деп аталынып кеткен есептеуіш үрдістің ұйымдастырылу тәсілі ұсынылған болатын. Аталған тәсілге сәйкес біршама үрдістер дискіге уақытша көшіріледі. Операционды жүйе жоспарлаушысы оларды қарастырылмнан шегермейді, тек талаптар белсендірілуі кезінде свопинг облысындағы үрдіс оперативті жадыға орын алмастырады. Егер оперативті жадыдағы бос орын жеткіліксіз болса, басқа да үрдіс шығарыла береді.

      Свопинг барысында виртуалды жадыны орындаудың жоғарыда аталған тәсілдеріне қарағанда  үрдіс жады мен диск аралығында түгелдей орын алмастырады, яғни белгілі бір уақыт көлемінде үрдіс оперативті жадыдан толыққанды шығаруы ықтимал. Үрдістерді қосу не шығарудың түрл алгоритмдері, сондай-ақ  шығарылатын үрдіске оперативті не диск жадын беру тәсілдері баршылық.

      Деректерді  кэширлеу қағидаттары

      Есептеуіш машина жады – қол жеткізудің орташа уақыты мен бір бит көлеміндегі  деректерді сақтау құндылығымен ерекшеленетін  есте сақтау құрылғыларының иерархиясы ретінде қабылданады (процессордың ішкі тіркелімдемелері, оперативті жады түрлері, дискілер, ленталар). Тұтынушы арзан әрі жылдам жадыны пайдалануды жөн көрері сөзсіз. Кэш-жады аталған ахуалда тығырықтан шығуды тиімді тәсілі болып табылады.

      Кэш-жады – бұл қол жеткізудің орташа уақыты мен бір бит көлеміндегі деректерді сақтау құндылығымен ерекшеленетін, жиі қолданылатын ақпаратты жай ЕСҚ-дан жылдам ЕСҚ динамикалық көшіру уақытын азайтуға мүмкіндік беретін екі түрлі есте сақтау құрылғыларының бірлесе қызмет етуін ұйымдастыру тәсілі болып табылады.

      Кэш-жадыны  көп жағдайда тек  екі түрлі есте сақтау құрылғыларының бірлесе қызмет етуін ұйымдастыру тәсілі ретінде ғана емес, сондай-ақ жылдам ЕСҚ бір құрылғысы ретінде қабылдауымызға болады. Ол бағасы жөнінен қымбат, жады көлемі де салыстырмалы жағдайда аз. Ең бастысы кэш-жы механизмі тұтынушы үшін айдындай мөлдір, деректердің қолданылуы жөнінде қандай да бір ақпаратты бермейтін, ЕСҚ бір түрінен екіншісіне деректердің орын алмастыруын орындамайтын механизмі. Атлаған шаралардың барлығы жүйелік құралдармен автоматты түрде орындалып отырады.

      Кэш-жадыны оперативті жадыда сақталған деректерге қол жеткізудің орташа уақытын азайтудың жекелеген жағдайын қарастыралық. Бұл мақсатта процессор мен оперативті жады арасында кэш-жады орныға түседі (16-шы сурет). Кэш-жады құрамы – оған енгізілген деректер бөлшектерінің жиынтығы. Деректер элементтері жөніндегі әрбір жазбада оперативті жады мен басқарушы ақпаратта қолданысқа енгізетін мекен-жайы:  модификация белгісі мен соңғы уақыт аралығындағы деректерге төну белгілері болады.