Основы AS/400

Недостаток одноуровневой памяти — большой размер адреса. Адрес должен быть достаточно велик, чтобы покрывать все подключенное к системе дисковое пространство. Возьмем 32-разрядный адрес, используемый во многих современных системах. С его помощью можно адресовать до 4 ГБ, что совершенно недостаточно для адресации всего дискового пространства даже на большом ПК. Таким образом, обычные системы просто вынуждены копировать дисковые данные в свои относительно небольшие виртуальные памяти и обратно.

Чтобы устранить это ограничение, в System/38 и первые модели AS/400 был включен 48-разрядный адрес. Теперь AS/400 использует 64-разрядный адрес и для будущих расширений предусмотрены дополнительные разряды адреса. Хоть все это и связано с аппаратными затратами, последние вполне компенсируются возможностями по совместному использованию данных и ростом производительности.

Постоянная виртуальная память

Размер адреса AS/400 значительно превышает необходимый для покрытия всего дискового пространства. Причина такого положения — другая характеристика одноуровневой памяти, называемая постоянством (persistence). Мы уже говорили об этом в главе 5, посвященной объектам. Объект, обладающий постоянством, остается в памяти системы вечно, даже после своего разрушения, и виртуальное адресное пространство такого постоянного объекта никогда не используется повторно. При разрушении постоянного объекта освобождается все занятое им дисковое пространство, за исключением заголовков. Освобожденное дисковое пространство затем используется для других объектов.

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.