Основы AS/400 - Фрэнк Солтис

То, что виртуальное адресное пространство повторно не используется, устраняет многие проблемы защиты и целостности. Если постоянный объект разрушен и его адресное пространство использовано повторно другим объектом, то любой, у кого был разрешенный указатель на старый объект, сможет адресовать новый объект. Так как указатели могут храниться в памяти где угодно, то большинство схем «сборки мусора» для поиска указателей уничтоженных объектов слишком сложны. В AS/400 же применяется достаточно большой адрес и адресное пространство постоянных объектов повторно не используется. Так что «сборка мусора» в этой системе не нужна.

Большинство обычных систем виртуальной памяти борются со «сборкой мусора» другим способом. В ранних схемах виртуальной памяти (по-прежнему используемых некоторыми ОС ПК), каждому пользователю выделяется отдельное виртуальное адресное пространство. Когда пользовательский процесс прекращает свое существование, то же происходит и с его виртуальной памятью. Сохранить адрес где-либо в системе нельзя. Единственное место разделения данных — файловая система, где виртуальная адресация не используется.

Для большинства многопользовательских ОС, таких как Unix, подобная реализация неприемлема. Вместо того, чтобы предоставить пользовательской программе возможность прямой адресации виртуальной памяти, такие системы передают программе адрес, который перед использованием транслируется в виртуальный аппаратно. В архитектуре PowerPC такой адрес называется эффективным. Как мы увидим далее, эффективный адрес позволяет добиться некоторого уровня разделения памяти, но за счет больших накладных расходов.

Виртуальная память в таких системах логически подразделяется на сегменты — блоки последовательных байтов памяти. Эффективный адрес задает один из таких сегментов. Обычно трансляция эффективного адреса в виртуальный использует несколько (от 4 до 16) регистров микросхемы процессора, которые называются сегментными регистрами. Каждый сегментный регистр содержит виртуальный адрес одного из сегментов памяти. Часть старших разрядов эффективного адреса задают один из сегментных регистров. Остальные же задают байт внутри сегмента (и называются смещением в сегменте). Так как эффективный адрес содержит смещение внутри сегмента виртуального адреса, то данный тип адресации иногда называется адресацией относительно сегмента.

Проще всего представить себе эффективный адрес как подмножество виртуального адреса большего размера. Пользовательская программа может напрямую адресовать лишь несколько сегментов виртуальной памяти — те, чьи адреса загружены в сегментные регистры. Программа может запросить у ОС перезагрузку системных регистров, что позволит ей получить доступ к другим сегментам, но по-прежнему будет работать лишь с небольшой частью виртуальной памяти. Например, на некоторых процессорах Intel — лишь четыре сегментных регистра, что позволяет работать только с четырьмя сегментами одновременно, тогда как некоторые ранние процессоры RS/6000 использовали 16 таких регистров, но все равно могли адресовать лишь небольшую часть общей памяти.

В архитектуре PowerPC мы избавились от сегментных регистров и заменили их специальной таблицей в памяти, так называемой таблицей сегментов. Это дает пользовательским программам доступ к гораздо большему числу сегментов, чем регистровая реализация. Каждая запись таблицы сегментов по-прежнему содержит виртуальный адрес одного из сегментов виртуальной памяти. Эффективный адрес, используемый программой, теперь задает запись таблицы сегментов и байтовое смещение в сегменте. Две программы могут использовать совместно один и тот же виртуальный адрес, если они обращаются к одной и той же записи в таблице сегментов, или если тот же самый виртуальный адрес хранится в нескольких записях таблицы.

В случае адресации относительно сегмента, пользовательской программе виден только эффективный адрес, и таким образом, она не может сохранить где-либо виртуальный адрес. Трансляция эффективного адреса в виртуальный требует дополнительных накладных расходов, но зато виртуальные адреса защищены и не нужна «сборка мусора». Так как только ОС может изменять значения сегментных регистров, то в определенной степени контролируется, какие сегменты пользовательская программа может использовать и разделять с другими программами.

Поскольку эффективный адрес содержит только идентификацию записи таблицы сегментов и смещение адреса, постольку эффективный адрес имеет меньше разрядов, чем виртуальный. Именно благодаря тому, что виртуальный адрес не ограничен размером регистров процессора, 32-разрядный процессор с 32-разрядным виртуальным адресом может поддерживать большее виртуальное адресное пространство. Но даже и в этом случае, эффективный адрес может адресовать лишь подмножество адресного пространства без перезагрузки ОС сегментных регистров. Кроме того, хотя виртуальный адрес может иметь длину более 32 разрядов, отдельная операция по-прежнему использует только 32 разряда адреса. Таким образом, ограничение в 4 ГБ по-прежнему сохраняется, независимо от того, сколько разрядов в виртуальном адресе. Это объясняет, почему даже системы, поддерживающие большие виртуальные адреса, переходят с 32- на 64-разрядные процессоры.

Теперь сопоставим рассмотренную нами адресацию относительно сегмента с одноуровневой памятью AS/400. Одноуровневая память и виртуальные адреса располагаются ниже MI и не видны пользователю. Таким образом, для защиты адресов не требуется дополнительный уровень трансляции (эффективного адреса в виртуальный), она осуществляется с помощью указателей. Защищая указатели (с помощью разрядов тега), не надо идти на дополнительные накладные расходы, связанные с загрузкой и сохранением таблиц сегментов для каждой программы.

Как уже упоминалось при обсуждении структуры объектов, в AS/400 одноуровневая память также разделена на сегменты. Важно то, что при использовании одноуровневой памяти большой адрес AS/400 (48 и 64-разрядный) позволяет программе ниже MI адресовать любой сегмент всего адресного пространства, а не только подмножество сегментов, как в модели адресации относительно сегмента. Программа может обращаться ко всей виртуальной памяти, а сама виртуальная память может быть разделяемой без каких-либо накладных расходов.

Что такое одноуровневая память

Прежде чем погрузиться внутрь одноуровневой памяти, давайте попытаемся осмыслить общую картину, рассмотрев ее концепции и компоненты. Затем обсудим, почему одноуровневая память столь важна для AS/400 и разберем некоторые детали ее работы, взяв в качестве примера программу, выполняющую последовательное чтение индексированного файла базы данных (READ на ЯВУ или FETCH в SQL). В рамках этого примера мы разберем использование нескольких объектов: программы, индекса, курсора, области данных и др. Некоторые из них находятся в памяти, а некоторые нет.

Начнем с краткого обзора адресации этих и любых других объектов. Над MI нет различий между памятью и диском (или другим вспомогательным хранилищем). OS/ 400 работает только с объектами, их именами и открытым содержимым. MI работает со своими объектами — декомпозицией объектов OS/400 — с помощью их идентификаторов (указателей). Других способов задания объектов на уровне MI нет.

Программы, курсоры, области данных и другие объекты могут быть найдены простым указанием их имени. Чтобы использовать объект как ресурс, исполняющейся программе нужно «знать» только его имя и тип (как Вы помните, указание библиотеки необязательно, так как если она не задана, то будет просматриваться список библиотек). Имя объекта сразу же отображается в виртуальный адрес. Виртуальные адреса всех поименованных объектов находятся в библиотеках. Данный адрес помещается в указатель в процессе операции разрешения (описывалась в главе 5). Таким образом, системный указатель содержит виртуальный адрес заголовка объекта, который, в свою очередь, может содержать указатели на другие части данного объекта OS/400 и связанных с ним объектов MI.

Для обращения к данным объекта, или для исполнения команд программы, они должны быть перенесены в память. В нашем примере последовательного чтения базы данных, фрагмент программы, содержащий команды на выполнение чтения, должен быть перенесен с диска в память, прежде чем команды исполнятся. Такой перенос с диска в память происходит ниже уровня MI, так как MI не различает диск и память.

Можно считать, что все объекты находятся в памяти. То, что размер физической памяти слишком мал для хранения всех объектов — ограничение современных аппаратных технологий. Когда требуется фрагмент объекта, которого в памяти нет, этот отсутствующий фрагмент переносится и замещает некоторую неиспользуемую часть памяти. Можно также для наглядности представлять себе память как набор экранов, используемых для просмотра огромного пространства, содержащего все объекты. Процесс переноса страниц в память и из нее тогда будет выглядеть как изменения изображений на одном или нескольких экранах.