Sivutus ja muistinhallintayksikkö (MMU)

Tervetuloa! Tutustumme tänään sivutukseen, joka on keskeinen muistinhallintatekniikka x86-järjestelmissä. Sen avulla tietokone käsittelee muistia turvallisesti ja tehokkaasti.

Sivutuksen ansiosta ohjelmat voivat käsitellä muistia suurena yhtenäisenä lohkona, vaikka fyysinen RAM olisi pirstoutunut tai pienempi kuin ohjelman tarvitsema tila.

Ohjelman suoritettaessa se käyttää virtuaaliosoitteita. Nämä ovat loogisia osoitteita, joita ohjelma "näkee" ja käyttää viitatessaan tietoihin ja käskyihin.

Suoritin ja varsinainen RAM-laitteisto käyttävät kuitenkin fyysisiä osoitteita. Sivutus on järjestelmä, joka muuntaa virtuaaliosoitteet fyysisiksi osoitteiksi.

Virtuaaliosoitteiden muuntamisesta fyysisiksi osoitteiksi vastaa suorittimen sisällä oleva erityinen laitteistokomponentti, jota kutsutaan muistinhallintayksiköksi (Memory Management Unit, MMU).

MMU toimii erittäin nopeana kääntäjänä ja varmistaa, että jokainen ohjelman tekemä muistiviittaus kohdistuu oikeaan fyysiseen sijaintiin RAM-muistissa, tai ilmoittaa virheestä, jos käyttö on virheellinen.

Jotta sivutus toimisi, muisti jaetaan kiinteän kokoisiin lohkoihin:

• Sivut: Nämä ovat ohjelman näkemän virtuaalimuistin lohkoja.
• Sivukehykset: Nämä ovat fyysisen muistin (RAM-muistin) lohkoja.

x86-järjestelmissä yleinen sivukoko on 4 kilotavua (4 KB). MMU muuntaa virtuaaliset sivut fyysisiksi sivukehyksiksi.

Mistä MMU tietää, mihin fyysiseen sivukehykseen kukin virtuaalinen sivu vastaa? Se käyttää tietorakenteita, joita kutsutaan sivutauluiksi.

Sivutaulu on käytännössä taulukko, jossa kukin tietue yhdistää virtuaalisen sivun numeron sitä vastaavan fyysisen sivukehyksen osoitteeseen. Jokaisella suoritettavalla prosessilla on omat sivutaulunsa.

Erittäin suurissa virtuaalisissa osoiteavaruuksissa, kuten 32- tai 64-bittisissä järjestelmissä, yksi sivutaulu olisi valtava. Tämän hallitsemiseksi x86 käyttää monitasoista sivutushierarkiaa.

Ensimmäinen taso on sivuhakemisto. Se ei osoita suoraan sivukehyksiin, vaan muihin sivutauluihin. Nämä toissijaiset taulut osoittavat varsinaisiin fyysisiin sivukehyksiin.

Yksinkertaistetaan 32-bittinen osoitteenmuunnosprosessi:

1. Suoritin muodostaa virtuaaliosoitteen.
2. MMU käyttää osoitteen ylempiä bittejä löytääkseen tietueen sivuhakemistosta.
3. Tämä tietue osoittaa tiettyyn sivutauluun.
4. MMU käyttää virtuaaliosoitteen keskimmäisiä bittejä löytääkseen tietueen kyseisestä sivutaulusta.
5. Tämä tietue sisältää sivukehyksen fyysisen osoitteen.
6. Alkuperäisen virtuaaliosoitteen alemmat bitit (siirtymä) lisätään sivukehyksen osoitteeseen lopullisen fyysisen osoitteen saamiseksi.

Mistä MMU tietää, missä nykyisen prosessin sivuhakemisto sijaitsee?

Suorittimessa on erityinen ohjausrekisteri nimeltä CR3. Tämä rekisteri sisältää nykyisen Page Directory Base Register (PDBR) -rekisterin fyysisen osoitteen. Se kertoo MMU:lle täsmälleen, mistä sivuhakemiston etsintä aloitetaan.

Jokainen sivutaulun tietue (PTE – Page Table Entry) sisältää muutakin kuin fyysisen osoitteen. Se sisältää myös erilaisia lippuja:

• Present: Onko sivu parhaillaan fyysisessä muistissa?
• Read/Write: Voidaanko sivulle kirjoittaa?
• User/Supervisor: Voivatko käyttäjätilan ohjelmat käyttää tätä sivua?
• Accessed: Onko sivua käytetty äskettäin?
• Dirty: Onko sivulle kirjoitettu sen lataamisen jälkeen?

Nämä liput ovat olennaisia muistin suojauksen ja virtualisoinnin kannalta.

Sivutus on keskeinen osa nykyaikaisia käyttöjärjestelmiä monien hyötyjensä ansiosta:

• Muistisuojaus: Eristää prosessit ja estää niitä turmelemasta toistensa muistia.
• Virtuaalimuisti: Mahdollistaa fyysisesti käytettävissä olevaa suuremman muistimäärän käytön siirtämällä sivuja levylle.
• Muistin jakaminen: Useat prosessit voivat jakaa samat fyysiset sivut esimerkiksi jaettuja kirjastoja tai prosessienvälistä viestintää varten.
• Uudelleensijoitus: Ohjelmat voidaan ladata mihin tahansa fyysisen muistin kohtaan, sillä MMU huolehtii yhdistämisestä.

Hienoa! Olette oppineet sivutuksen ja MMU:n tärkeästä roolista.

• Ohjelmat käyttävät virtuaaliosoitteita, kun taas laitteisto käyttää fyysisiä osoitteita.
• MMU muuntaa nämä osoitteet sivuhakemistojen ja sivutaulujen avulla.
• Muisti jaetaan sivuihin (virtuaalisiin) ja sivukehyksiin (fyysisiin).
• CR3-rekisteri osoittaa nykyiseen sivuhakemistoon.
• PTE-liput hallitsevat käyttöoikeuksia ja sivun tilaa.

Tämä järjestelmä tarjoaa olennaisen mu memory protection, virtual memory, and flexible memory management for all modern operating systems.