الذاكرة الافتراضية والتقسيم الصفحاتي
تمنح الذاكرة الافتراضية كل برنامج مساحة عنوان كبيرة ومتصلة خاصة به، يقوم الجهاز ونظام التشغيل برسمها على الذاكرة الفعلية في صفحات ذات حجم ثابت، مما يوفر العزل والحماية ووهم وجود ذاكرة أكبر مما هو موجود فعليًا.
Definition
الذاكرة الافتراضية هي تقنية لإدارة الذاكرة تقوم برسم العناوين الافتراضية التي يستخدمها البرنامج إلى عناوين الذاكرة الفعلية عبر جداول الصفحات، وتقسم الذاكرة إلى صفحات ذات حجم ثابت وتسمح للصفحات بالإقامة في الذاكرة الفعلية أو على وسيط التخزين الثانوي حسب الحاجة.
Scope
يغطي هذا الموضوع ترجمة العناوين من خلال جداول الصفحات، ومخزن الترجمة المؤقت (TLB) الذي يخزن الترجمات مؤقتًا، وأخطاء الصفحات والتقسيم الصفحاتي عند الطلب، واستبدال الصفحات ومبدأ مجموعة العمل، والحماية التي توفرها الذاكرة الافتراضية. يقع هذا الموضوع على الحدود بين بنية الحاسوب وأنظمة التشغيل. يستثني تخزين الملفات للبيانات التي تم إخراجها من الصفحات (أنظمة الملفات) والتخزين المؤقت للبيانات على الشريحة (تنظيم وسياسات التخزين المؤقت)، على الرغم من أنه يتفاعل مع كليهما.
Core questions
- كيف يتم ترجمة العناوين الافتراضية إلى عناوين فعلية من خلال جداول الصفحات؟
- كيف يسرع مخزن الترجمة المؤقت (TLB) عملية الترجمة، وماذا يحدث عند عدم وجود ترجمة في TLB؟
- ماذا يحدث عند حدوث خطأ في الصفحة، وكيف يتم التعامل مع التقسيم الصفحاتي عند الطلب؟
- كيف يوجه مفهوم مجموعة العمل استبدال الصفحات ويمنع الترنح؟
Key concepts
- مساحات العناوين الافتراضية والفعلية
- الصفحات وإطارات الصفحات
- جداول الصفحات
- مخزن الترجمة المؤقت (TLB)
- أخطاء الصفحات والتقسيم الصفحاتي عند الطلب
- استبدال الصفحات
- مجموعة العمل والترنح
- حماية الذاكرة
Key theories
- نموذج مجموعة العمل
- مجموعة العمل هي مجموعة الصفحات التي يشير إليها المعالج خلال فترة زمنية حديثة؛ الحفاظ على مجموعة عمل كل عملية نشطة مقيمة في الذاكرة الفعلية يتجنب الترنح، حيث يؤدي التقسيم الصفحاتي المفرط إلى انهيار الأداء، ويوجه قرارات الاستبدال والقبول.
Mechanisms
يتم تقسيم العنوان الافتراضي للبرنامج إلى رقم صفحة وإزاحة. يقوم رقم الصفحة بفهرسة جداول الصفحات (غالبًا متعددة المستويات) للعثور على الإطار الفعلي؛ يقوم مخزن الترجمة المؤقت (TLB) بتخزين الترجمات الحديثة مؤقتًا لتجنب تصفح الجداول في كل وصول. إذا لم تكن الصفحة المشار إليها مقيمة، فإن خطأ الصفحة ينقل التحكم إلى نظام التشغيل، الذي يجلب الصفحة من وسيط التخزين الثانوي وقد يطرد صفحة أخرى وفقًا لسياسة استبدال تسترشد بالمحلية وسلوك مجموعة العمل.
Clinical relevance
تعد الذاكرة الافتراضية أساسية لأنظمة التشغيل الحديثة: فهي تعزل العمليات عن بعضها البعض من أجل الأمن والاستقرار، وتسمح للعديد من البرامج بمشاركة الذاكرة الفعلية، وتسمح بتشغيل برامج أكبر من ذاكرة الوصول العشوائي الفعلية. يؤثر سلوك مخزن الترجمة المؤقت (TLB) وأخطاء الصفحات بشكل كبير على الأداء، ويشكل تخطيط مساحة العنوان أساس الحماية ودفاعات سلامة الذاكرة.
History
نشأت الذاكرة الافتراضية مع حاسوب أطلس في مانشستر في أوائل الستينيات، حيث قدمت التقسيم الصفحاتي وآلية خطأ الصفحة. قدم نموذج مجموعة العمل لدينينغ عام 1968 وصفًا مبدئيًا للمحلية والترنح. الدعم المادي عبر مخازن الترجمة المؤقتة (TLBs) وجداول الصفحات متعددة المستويات، والميزات اللاحقة مثل الصفحات الكبيرة، جعلت الذاكرة الافتراضية منتشرة في الأنظمة ذات الأغراض العامة.
Key figures
- Peter J. Denning
- Maurice Wilkes
- John L. Hennessy
- Abraham Silberschatz
Related topics
Seminal works
- denning1968
- hennessy2019
- silberschatz2018
Frequently asked questions
- ماذا يحدث عند حدوث خطأ في الصفحة؟
- يحدث خطأ في الصفحة عندما يصل برنامج إلى صفحة افتراضية غير موجودة حاليًا في الذاكرة الفعلية. يقوم الجهاز بالانتقال إلى نظام التشغيل، الذي يحدد موقع الصفحة على وسيط التخزين الثانوي، ويجلبها إلى إطار حر أو مطرود، ويحدث جداول الصفحات، ويستأنف البرنامج كما لو لم يحدث شيء.
- ما هو الترنح؟
- الترنح هو انهيار في الأداء عندما تتجاوز مجموعات العمل المجمعة للعمليات النشطة الذاكرة الفعلية، بحيث يقضي النظام معظم وقته في إدخال وإخراج البيانات بدلاً من القيام بعمل مفيد. الحفاظ على مجموعات العمل مقيمة، أو تقليل الحمل، يتجنب ذلك.