Виртуальная память. Страничная организация памяти. Диспетчер памяти. - Morozov-5F/operational-system-docs GitHub Wiki
Виртуальная память: Fotheringham, 1961. Является предшественником оверлеев (это небольшие части программ. Разбиение на такие части производилось программистом в ручном режиме, а свопинг оверлеев с диска на память и обратно - ОС).
В основе виртуальной памяти лежит идея, что у каждой программы имеется собственное адресное пространство, которое разбивается на участки, называемые страницами. Каждая страница представляет собой непрерывный диапазон адресов. Эти страницы отображаются на физическую память, но для запуска программы одновременное присутствие в памяти всех страниц необязательно. Когда программа ссылается на часть своего адресного пространства, находящегося в физической памяти, аппаратное обеспечение осуществляет необходимое отображение на лету. Когда программа ссылается на часть своего адресного пространства, которое не находится в физической памяти, операционная система предупреждается о том, что необходимо получить недостающую часть и повторно выполнить потерпевшую неудачу команду.
Большинство систем виртуальной памяти используют технологию под названием страничная организация памяти (paging). На любом компьютере программы ссылаются на набор адресов памяти. Когда программа выполняет команду MOV REG,1000 она осуществляет копирование содержимого ячейки памяти с адресом 1000 в REG (или наоборот, в зависимости от компьютера). Адреса могут генерироваться с использованием индексной адресации, базовых регистров, сегментных регистров и другими способами.
Такие сгенерированные программным способом адреса называются виртуальными адресами, именно они и формируют виртуальное адресное пространство. На компьютерах, не использующих виртуальную память, виртуальные адреса выставляются непосредственно на шине памяти, что приводит к чтению или записи слова физической памяти с таким же адресом. При использовании виртуальной памяти виртуальные адреса не выставляются напрямую на шине памяти. Вместо этого они поступают в диспетчер памяти (Memory Management Unit (MMU)), который отображает виртуальные адреса на адреса физической памяти (см. рис.).
Виртуальное адресное пространство состоит из блоков фиксированного размера, называемых страницами. Соответствующие блоки в физической памяти называются страничными блоками. Страницы и страничные блоки имеют, как правило, одинаковые размеры. Обычно используются размеры страниц от 512 байт до 1 Гбайт. Перенос информации между оперативной памятью и диском всегда осуществляется целыми страницами. Многие процессоры поддерживают несколько размеров страниц, которые могут быть смешаны и подобраны по усмотрению операционной системы. Например, архитектура x86-64 поддерживает страницы размером 4 Кбайт, 2 Мбайт и 1 Гбайт, поэтому для пользовательских приложений можно использовать страницы размером 4 Кбайт, а для ядра — одну страницу размером 1 Гбайт.
Физическая память ограничена. Поэтому если число виртуальных страниц будет больше числа доступных физических страничных блоков, то не все страницы будут отображаться. Реальное оборудование отслеживает присутствие конкретных страниц в физической памяти за счет бита присутствия-отсутствия.
Если какая-либо программа ссылается на неотображаемые адреса, то диспетчер памяти замечает, что требуемая страница не отображена, и заставляет центральный процессор передать управление операционной системе. Это системное прерывание называется ошибкой отсутствия страницы (page fault). Операционная система выбирает редко используемый страничный блок и сбрасывает его содержимое на диск (если оно еще не там). Затем она извлекает (также с диска) страницу, на которую была ссылка, и помещает ее в только что освободившийся страничный блок, вносит изменения в таблицы и заново запускает прерванную команду.
Номер страницы используется в качестве индекса внутри таблицы страниц для получения номера страничного блока, соответствующего виртуальной странице. Если бит присутствия-отсутствия установлен в 0, то вызывается системное прерывание. Если бит установлен в 1, из таблицы страниц берется номер страничного блока, который копируется в старшие 3 бита выходного регистра вместе с 12-битным смещением, которое копируется в неизменном виде из входящего виртуального адреса. Вместе они формируют 15-разрядный физический адрес. Затем значение выходного регистра выставляется на шине памяти в качестве физического адреса.
Источник: Таненбаум "Современные операционные системы" (4 издание, стр. 228-233)