BỘ NHỚ ẢO

Bộ nhớ ảo xác định một cơ chế vận chuyển tự động số liệu giữa bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài (đĩa từ).

Trước đây, khi độ dài của chương trình vượt quá giới hạn dung lượng bộ nhớ thì người lập trình phải phân chia chương trình của mình thành từng phần tự loại bỏ nhau (overlays) và phải tự quản lý việc trao đổi thông tin giữa bộ nhớ và đĩa từ. Bộ nhớ ảo làm nhẹ trách nhiệm của các nhà lập trình bằng cách làm cho việc trao đổi thông tin này được thực hiện một cách tự động.

Trong các bộ xử lý hiện đại, bộ nhớ ảo được dùng để cho phép thực hiện cùng lúc nhiều tiến trình (process), mỗi tiến trình có một không gian định vị riêng. Nếu tất cả các không gian định vị này đều thuộc không gian định vị bộ nhớ trong thì rất tốn kém. Bộ nhớ ảo bao gồm bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài được phân tích thành khối để có thể cung cấp cho mỗi chương trình một số khối cần thiết cho việc thực hiện chương trình đó. Hình IV.7 cho thấy một chương trình chứa trong bộ nhớ ảo gồm 4 khối, 3 trong 4 khối nằm ở bộ nhớ trong, khối thứ tư nằm trên đĩa.

Hình IV.7. Một chương trình gồm 4 trang A,B,C,D

trong đó trang D nằm trong ổ đĩa

Ngoài việc phân chia không gian bộ nhớ, cần bảo vệ và quản lý tự động các cấp bộ nhớ, bộ nhớ ảo đơn giản hoá việc nạp chương trình vào bộ nhớ để thi hành nhờ một cơ chế được gọi là sự tái định địa chỉ (address relocation). Cơ chế này cho phép một chương trình có thể được thi hành khi nó nằm ở bất cứ vị trí nào trong bộ nhớ.

Bảng IV.3 : Đại lượng điển hình cho bộ nhớ cache và bộ nhớ ảo.

So với bộ nhớ cache thì các tham số của bộ nhớ ảo tăng từ 10 đến 100.000 lần

Ngoài sự khác biệt định lượng mà ta thấy trong hình IV.9, có những khác biệt khác giữa bộ nhớ cache và bộ nhớ ảo là:

- Khi thất bại cache, sự thay thế một khối trong cache được điều khiển bằng phần cứng, trong khi sự thay thế trong bộ nhớ ảo là chủ yếu do hệ điều hành.

- Không gian định vị mà bộ xử lý quản lý là không gian định vị của bộ nhớ ảo, trong lúc đó thì dung lượng bộ nhớ cache không tuỳ thuộc vào không gian định vị bộ xử lý.

- Bộ nhớ ngoài còn được dùng để lưu trữ tập tin ngoài nhiệm vụ là hậu phương của bộ nhớ trong (trong các cấp bộ nhớ).

Bộ nhớ ảo cũng được thiết kế bằng nhiều kỹ thuật đặc thù cho chính nó.

Các hệ thống bộ nhớ ảo có thể được chia thành 2 loại: loại với khối có dung lượng cố định gọi là trang, và loại với khối có chiều dài thay đổi gọi là đoạn. Định vị trang xác định một địa chỉ trong trang, giống như định vị trong cache. Trong định vị đoạn cần 2 từ: một từ chứa số thứ tự đoạn và một từ chứa độ dời trong đoạn. Chương trình dịch gặp khó khăn nhiều hơn trong định vị đoạn.

Do việc thay thế các đoạn, ngày nay ít máy tính dùng định vị đoạn thuần tuý. Một vài máy dùng cách hỗn hợp gọi là đoạn trang. Trong đó mỗi đoạn chứa một số nguyên các trang.Bây giờ chúng ta trả lời 4 câu hỏi đặt ra trong các cấp bộ nhớ cho bộ nhớ ảo.

Câu hỏi 1: Một khối được đặt tại đâu trong bộ nhớ trong?

Việc trừng phạt bộ nhớ ảo khi có thất bại, tương ứng với việc phải thâm nhập vào ổ đĩa. Việc thâm nhập này rất chậm nên người ta chọn phương án hoàn toàn phối hợp trong đó các khối (trang) có thể nằm ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ trong. Cách này cho tỉ lệ thất bại thấp.

Hình IV.8: Ánh xạ các trang ảo vào bộ nhớ vật lý

Câu hỏi 2: Làm thế nào để tìm một khối khi nó đang nằm trong bộ nhớ trong?

Định vị trang và định vị đoạn đều dựa vào một cấu trúc dữ liệu trong đó số thứ tự trang hoặc số thứ tự đoạn được có chỉ số. Cho định vị trang, dựa vào bảng trang, địa chỉ trong bộ nhớ vật lý được xác lập cuối cùng là việc đặt kề nhau số thứ của trang vật lý với địa chỉ trong trang (hình IV.9). Cho định vị đoạn, dựa vào thông tin trên bảng đoạn, việc kiểm tra tính hợp lệ của địa chỉ được tiến hành. Địa chỉ vật cuối cùng được xác lập bằng cách cộng địa chỉ đoạn và địa chỉ trong đoạn (độ dời trongđoạn)(hìnhIV.10).

Hình IV.10 : Ánh xạ địa chỉ giữa bộ nhớ ảo và bộ nhớ vật lý trong cách định vị đoạn

Câu hỏi 3: Khối nào phải được thay thế khi có thất bại trang?

Hầu hết các hệ điều hành đều cố gắng thay thế khối ít dùng gần đây nhất (LRU: Least Recent Utilized) vì nghĩ rằng đây là khối ít cần nhất.

Câu hỏi 4: Việc gì xảy ra khi cần ghi số liệu?

Chiến thuật ghi luôn là một sự ghi lại nghĩa là thông tin chỉ được viết vào trong khối của bộ nhớ trong. Khối có thay đổi thông tin, được chép vào đĩa từ nếu khối này bị thay thế.