Sayfa ve Sayfa Düzeni
Günümüzde kullanılan sanal bellek sistemleri ``alanda yerellik``ten yararlanabilmek için programları belirli boyutlarda blok kümeleri şeklinde yerleştirirler. Bu belirli boyutlardaki blok kümeleri (öbekleri) “sayfa” olarak adlandırılır. Ana belleğin sayfalarla aynı boyutlarda bloklardan oluştuğu varsayılır. Bu varsayım “sayfa çerçevesi” (page frame) olarak nitelendirilir.Sanal Adres Numarasının Gerçek Adres Numarasına Dönüştürülmesi
[[Resim:Sanal_adreslerin_fiziksel_adrese_dönüştürülmesi1.jpg|thumb|``Sanal bellekte, adreslerin yapısı “sanal sayfa numarası”(virtual page number) ve “sayfa eklemesi”(page offset) olmak üzere iki kısma ayrılmıştır. ``]]
Ana bellekte kullanılan gerçek adres numarası, gerçek adresin üst bölümünü, sayfa eklemesi ise gerçek adresin alt bölümünü oluşturur. Sayfa eklemesindeki bitlerin sayısı sayfanın boyutunu belirler ve değişim göstermez. Sanal adreslerle adreslenebilen sayfa sayısı gerçek adreslerle adreslenen sayfa sayısı ile örtüşmek zorunda değildir; sanal sayfa sayısının gerçek sayfa sayısının üzerinde olması sınırsız boyuttaki bellek izlenimini yaratmada esas alınan noktadır.
Herhangi bir hatayla karşılaşılmadıkça olağan sanal adres dönüştürme işlemi şu şekilde yapılır:
if (ADÖ && önbellek)
else if (!önbellek && ADÖ)
else
Sanal = Gerçek İşlemi
MVS, z/OS ve benzeri işletim sistemlerinde bazı kısımlar sanal=gerçek biçimine (virtual=real mode)sahiptirler; yani her sanal adres gerçek bir adrese karşılık gelmektedir.Bu kısımlar:
- Kesme düzenekleri
- Sayfa hatası denetimi ve sayfa tabloları
- Giriş/ çıkış kanalları (I/O channels) tarafından erişilen veri arabellekleri (data buffers)
- Giriş /çıkışların yönetiminde genelgeçer yöntemler uygulamayıp kendi arabelleklerine sahip olan ve çevre birimleri ile doğrudan iletişim kuran izlenceler (program)
Sayfa Tablosu
[[Resim:Sayfa tablosu11.jpg|thumb|``Bir sayfa tablosunun ana bellekteki yerini belirtmek için, donanımda sayfa tablosunun başlangıcını işaret eden bir yazmaç (register) bulunur. Bu yazmaç “sayfa tablosu yazmacı” olarak tanımlanır. ``]]
Sanal bellekte sayfalar, belleği dizinleyen bir tablo kullanılarak yerleştirilirler. Bu yapı “sayfa tablosu (page table)” olarak adlandırılır. Bellekte tutulan sayfa tablosu sanal bellek adresinin numarasına göre dizinlenmiştir ve ona karşılık gelen gerçek sayfa numarasını içerir. Her program, sanal adres uzayını, ana bellekteki bellek uzayına dönüştüren kendine ait bir sayfa tablosuna sahiptir. Sayfa tablosu, ana bellekte mevcut olmayan sayfaların kayıtlarını da tutabilir. Her sayfa tablosunda geçerli bit (1 veya 0) tutulur. Eğer bu bit mantıksal sıfıra eşit ise sayfa ana bellekte mevcut değil demektir ve “sayfa hatası (page fault)” oluşur. Eğer bit mantıksal bire işaret ediyorsa sayfa ana bellekte mevcut ve geçerli bir fiziksel adrese sahip demektir.
[[Resim:Sayfa_tablosu22.jpg|thumb| ``Sayfa tablosu, karşılık gelen gerçek adresi elde etmek üzere sanal sayfa numarası ile dizinlenmiştir. Sayfa tablosu yazmacı sayfa tablosunun başlangıç adresini gösterir. Her kaydın geçerli biti adres dönüşümünün ve adresinin geçerliliğini gösterir. Eğer bu bit mantıksal sıfıra işaret ediyorsa sayfa bellekte mevcut değildir. Fazladan bitler ek bilgi saklamak veya güvenlik için kullanılabilir.``]]
Sayfa Tablosu İçin Gerekli Depolama (Saklama) Boyutu ve Kullanılan Anabellek Miktarının Azaltılması
- Sayfa tablosunun boyutlarını sınırlayan bir sınır kaydı tutmak. Eğer sanal sayfa numarası sınır kaydının sınırını aşarsa kayıtlar sayfa tablosuna eklenmelidir. Bu teknik, bir işlem daha fazla alana ihtiyaç duyduğunda sayfa tablosuna büyüme yeteneği kazandırır. Sonuç olarak sanal adres uzayı yalnızca ihtiyaç duyulduğunda büyük tutulacaktır.
- Bölmelere ayırmak (segmentation): Çoğu dil iki boyutları büyüyebilen iki ayrı alan gerektirdiği için tek boyutta büyümenin yetersiz olduğu durumlarda sayfa tablosu ikiye bölünür. İki ayrı sayfanın farklı sınırlara sahip olması desteklenir. İki sayfa tablosu kullanımı adres uzayını da ikiye parçaya (segment) böler. Sınır kaydı her iki parça için de tutulur. MIPS mimarisi de bu tekniği desteklemektedir.
- Sanal adrese bir ``hesaba dayalı adresleme (hashing)`` işlevi eklenerek sayfa tablosu veri yapısının sadece gerçek sayfa sayısı kadar boyutta olması sağlanabilir.Bu yapıya ters çevrilmiş(inverted) sayfa tablosu adı verilir.
- Birden fazla seviyeli sayfa tabloları kullanılabilir.
- Sayfa tabloları kullanımı için gerekli ana bellek miktarının azaltılması sayfa tablolarının tekrar sayfalanması ile sağlanabilir.
Sayfa Hatası
Eğer başvurulan veri o anda ana bellekte bulunamıyorsa sayfa ana bellekte mevcut değil demektir ve “sayfa hatası (page fault)” oluşur. Sayfa hatası çok yüksek bulamama gecikmesine neden olur. Sanal bellek sistemleri tasarlanırken bu durumun yaratacağı yükü engellemek için bazı önlemler alınabilir.
- Sayfalar yüksek erişim zamanını karşılayacak kadar büyük olmalıdır.
- Sayfa hatası denetimi sağlanmalıdır.
- Oluşan hatalar donanım yerine yazılımla çözülebilir.
- Tümüne yazma (write-through) yöntemi çok masraflı olduğu için geri yazma(write-back) metodu kullanılır.
Sayfa Hatası Denetimi (Paging Supervisor) ve Sayfa Değişimi (Takas)
Sayfa hatası meydana geldiğinde, yönetim işletim sistemine bırakılır. Bu devir ``kural dışı durum (hata) işleyişi (exception mechanism)`` ile gerçekleştirilir. Yönetim işletim sistemine geçtiğinde, sayfayı bir sonraki sıradüzende (genelde teker) bulmalı ve istenen sayfayı ana bellekte nereye koyacağına karar vermelidir. Sanal adres tek başına sayfanın tekerin neresinde olduğunu belirtmek için yeterli olmadığından, sanal adres uzayında bulunan her sayfanın tekerde izini sürmek gerekir. İşletim sistemi bu işlem için her sanal sayfanın tekerde nerede saklandığını kaydeden veri yapıları yaratır. Bu veri yapısı sayfa tablosunda veya ayrı bir tabloda tutulabilir. İşletim sistemi aynı zamanda her gerçek sayfanın hangi uygulamalar ve hangi sanal sayfalar tarafından kullanıldığını takip etmek üzere ayrı bir veri yapısı daha oluşturur. Ana bellekteki tüm sayfalar kullanımdayken sayfa hatası oluşması durumunda, işletim sistemi bir sayfayı değiştirmek(takas yapmak) üzere seçmelidir. Sayfa hatalarının en aza indirilmesi amaçlandığından çoğu işletim sistemi yakın bir zamanda kullanılmayacağını varsaydığı bir sayfayı seçer. İşletim sistemlerin bu varsayımları geçmiş durum değerlendirmelerine dayanarak gelecek durumun tahmin edilmesine dayanır. Bu tahminlerde kullanılan algoritmaların başında ``en uzun zamandır kullanılmayan``la değiştirme ``(least recently used (LRU))`` gelir. İşletim sistemi en uzun zamandır kullanılmayan sayfanın daha yakın bir zamanda kullanılan sayfadan daha az gerekli olduğu varsayımı yaparak uzun zamandır kullanılmayan sayfayı istenen sayfayla değiştirmek üzere seçer.
En uzun zamandır kullanılmayan yönteminin kusursuz ve eksiksiz olarak uygulanması veri yapısının her bellek başvurusunda güncellenmesini gerektireceğinden oldukça masraflıdır. Bunun yerine birçok işletim sisteminde hangi sayfaların yakın zamanda kullanılıp hangilerinin kullanılmadığına dair iz sürülür. İşletim sisteminin yükünü hafifletmek için donanımda başvuru biti (reference/use bit) tutulabilir. Bu bit sayfanın her kullanımında kurulur. İşletim sistemi belirli aralıklarla bu bitleri temizler ve hangi sayfaların kullanılıp kullanılmadığı bilgisinin kaydını tutar. Bu bilgi ışığında, işletim sistemi bir sayfa değiştireceği zaman en uzun zamandır kullanılmayan; yani başvuru bitleri mantıksal sıfıra eşit olan sayfalar arasından bir seçim yapar.
Değiştirme (Takas) İçin Kullanılabilecek Diğer Algoritmalar
İlk Giren İlk Çıkar (First In First Out (FIFO))
Değiştirilmek üzere seçilen sayfa bellekte en uzun zamandır tutulan; belleğe diğerlerinden önce yüklenen sayfadır.
Son Giren İlk Çıkar (Last In First Out (LIFO)):
Değiştirilmek üzere seçilen sayfa bellekte en kısa zamandır tutulan; belleğe en yakın zamanda yüklenen sayfadır.
En Az Sıklıkta Kullanılan (Least Frequently Used (LFU)):
Değiştirilmek üzere seçilen sayfa o an için bellekte en az sıklıkta kullanıldığı belirlenen sayfadır.
En Uygun (İdeal) (Optimal (OPT / MIN)):
Değiştirilmek üzere seçilen sayfa uzun bir süreliğine kullanılmayacak olan sayfadır. Bu sayfanın belirlenmesi için algoritmanın gelecekteki başvuru (istek) durumları hakkında bilgi sahibi olması gerekmektedir ki genellikle bu bilgi mevcut değildir.
Kalıcı ve Yerleşik Sayfalar
Tüm sanal bellek sistemleri hareketsiz kılınmış; yani burada bulunan sayfaların sayfa değişimi için seçilip ikincil belleğe gönderilemeyeceği alanlara sahiptir.- Kesme düzenekleri genellikle çeşitli kesmeleri(örneğin giriş/çıkış tamamlanmaları, zamanlayıcı, izlence (program) hataları, sayfa hataları vb.) işleyen bir dizi göstergelere (pointer) dayanırlar. Kesmelerin sayfa değişimi olmadan işlenmesi kullanışlıdır.
- Genellikle sayfa tabloları sayfalanmaz. (bazı özel yöntemler hariç)
- Merkezi şilem biriminin dışından ulaşılan veri arabellekleri (data buffers) (doğrudan erişimli bellek(direct memory Access) ve giriş/çıkış kanalları (I/O channels) gibi.) Genellikle bu aygıtlar ve bağlandıkları yollar sanal adresler yerine doğrudan fiziksel adresler kullanırlar.
- İşlemleri zamanlamaya bağımlı ve sayfalamanın yol açacağı tepki süresi değişimine izin veremeyecek kadar katı olan çekirdek (kernel) veya uygulama alanları hareketsiz kılınmıştır.
Kaynaklar
- http://oergin.etu.edu.tr/bil361/sanalbellek.pdf Oğuz ERGİN ``BİL 361 - Bilgisayar Mimarisi ve Organizasyonu, Sanal Bellek``
- John L. Hennessy, David A. Patterson, ``Computer Architecture, A Quantitative Approach`` (ISBN 1-55860-724-2)
- http://computer-refuge.org/bitsavers/pdf/burroughs/B5000_5500_5700/5000-21005_B5000_operChar.pdf ``Operational Characteristics for the Processors for Burroughs``
- http://www.multicians.org/multics-vm.html ``The Multics Virtual Memory: Concepts and Design``