Pamięć wirtualna

Pamięć wirtualna oznacza oddzielenie pamięci fizycznej od pamięci logicznej dostępnej użytkownikowi. U podstaw tej idei leży obserwacja, że w każdej chwili tylko część pamięci procesu musi znajdować się w pamięci operacyjnej komputera -- ta część, która akurat jest używana przez proces. Jest to możliwe dzięki temu, że procesy charakteryzują się lokalnością -- w konkretnej chwili proces nie potrzebuje całej przydzielonej mu pamięci, a jedynie jej część. Pamięć logiczna może być więc większa niż fizyczna, wystarczy że nie używane w danej chwili obszary pamięci logicznej zostaną przeniesione na pamięć drugorzędną, np. na dysk. Taka pamięć drugorzędna używana do "udawania" pamięci operacyjnej jest nazywana obszarem wymiany.

Adresy w pamięci wirtualnej są odwzorowywane na adresy pamięci fizycznej, jednak przestrzeń adresów logicznych może być większa niż przestrzeń adresów fizycznych. Konstrukcja MMU musi być rozszerzona tak, żeby było wiadomo, czy dany adres logiczny odpowiada adresowi fizycznemu i jakiemu, a jeżeli nie, to jakiemu miejscu w obszarze wymiany odpowiada.

Mechanizm pamięci wirtualnej stanowi rozszerzenie mechanizmów stronicowania lub segmentacji, omówionych w poprzednim wykładzie. Są to, odpowiednio, mechanizmy stronicowania na żądanie albo segmentacji na żądanie. W przypadku segmentacji na żądanie, tablica segmentów tłumaczy numer segmentu na spójny obszar w pamięci fizycznej lub w obszarze wymiany. W przypadku stronicowania na żądanie, tablica stron tłumaczy numery stron na numery ramek lub numery bloków dyskowych w obszarze wymiany. Stronicowanie na żądanie jest dużo bardziej elastyczne niż segmentacja na żądanie, dlatego też w praktyce wyparło segmentację na żądanie. W dalszej części wykładu ograniczymy się do stronicowania na żądanie.

Mechanizm pamięci wirtualnej umożliwia też współdzielenie przestrzeni adresowej przez wiele procesów, oraz pozwala efektywniej tworzyć procesy.

Na tym rysunku widać przykładowy stan pamięci wirtualnej systemu. Strona 0 w pamięci logicznej jest przyporządkowana (odwzorowana w) ramce nr 0 w pamięci fizycznej, która z kolei odpowiada blokowi 1 w pamięci dyskowej. Aktualny stan strony nr 0 jest zapisany w ramce 0. Jeśli ta strona nie była modyfikowana od czasu ostatniego ładowania z dysku, to zawartość bloku 1 i ramki 0 są takie same. W przeciwnym przypadku tylko w ramce 0 jest aktualny stan strony 0. Strona 4 nie jest natomiast odwzorowana w pamięci operacyjnej. Jej zawartość znajduje sie wyłącznie na dysku w bloku nr r. Jeśli jakiś proces chciałby skorzystać ze strony 4 musi być ona sprowadzona do pamięci operacyjnej, co wiąże się z zarezerwowaniem dla niej jakiejś pustej ramki.