Phân đoạn

Một khía cạnh quan trọng của việc quản lý bộ nhớ mà trở nên không thể tránh với phân trang là ngăn cách tầm nhìn bộ nhớ của người dùng và bộ nhớ vật lý thật sự. Tầm nhìn bộ nhớ của người dùng không giống như bộ nhớ vật lý. Tầm nhìn người dùng được ánh xạ vào bộ nhớ vật lý. Việc ánh xạ cho phép sự khác nhau giữa bộ nhớ luận lý và bộ nhớ vật lý.
Phương pháp cơ bản
Người dùng nghĩ bộ nhớ như mảng tuyến tính các byte, một số byte chứa chỉ thị lệnh, một số khác chứa dữ liệu hay không? Hầu hết mọi người nói không. Đúng hơn là, người dùng thích nhìn bộ nhớ như tập hợp các phân đoạn có kích thước thay đổi, và không cần xếp thứ tự giữa các phân đoạn (như hình VII-23).
Chúng ta nghĩ như thế nào về một chương trình khi chúng ta đang viết nó? Chúng ta nghĩ nó như một chương trình chính với một tập hợp các chương trình con, thủ tục, hàm, hay các module. Có thể có các cấu trúc dữ liệu khác nhau: bảng, mảng, ngăn xếp, biến,..Mỗi module hay thành phần dữ liệu này được tham chiếu bởi tên. Chúng ta nói “bảng danh biểu”, “hàm sqrt”, “chương trình chính” không quan tâm đến địa chỉ trong bộ nhớ mà những phần tử này chiếm. Chúng ta không quan tâm bảng danh biểu được lưu trữ trước hay sau hàm sqrt. Mỗi phân đoạn này có chiều dài thay đổi; thực chất chiều dài được định nghĩa bởi mục đích của phân đoạn trong chương trình. Các phần tử trong một phân đoạn được định nghĩa bởi độ dời của chúng từ điểm bắt đầu của phân đoạn: lệnh đầu tiên của chương trình, mục từ thứ mười bảy trong bảng danh biểu, chỉ thị thứ năm của hàm sqrt,…
Mỗi hệ điều hành có phương pháp riêng để lưu trữ các bảng trang. Hầu hết đều cấp phát một bảng trang cho mỗi quá trình. Một con trỏ chỉ tới một bảng trang được lưu trữ với những giá trị thanh ghi thanh ghi khác nhau (giống như bộ đếm chỉ thị lệnh) trong khối điều khiển quá trình. Khi bộ phân phát được yêu cầu bắt đầu một quá trình, nó phải nạp lại các thanh ghi người dùng và định nghĩa các giá trị bảng trang phần cứng phù hợp từ bảng trang người dùng được lưu trữ.
Cài đặt phần cứng của bảng trang có thể được thực hiện trong nhiều cách. Cách đơn giản nhất, bảng trang được cài đặt như tập hợp các thanh ghi tận hiến. Các thanh ghi này nên được xây dựng với tính logic tốc độ rất cao để thực hiện việc dịch địa chỉ trang hiệu quả. Mọi truy xuất tới bộ nhớ phải kiểm tra kỹ lưỡng bảng đồ trang, vì vậy tính hiệu quả là vấn đề xem xét chủ yếu. Bộ phân phát CPU nạp lại các thanh ghi này chỉ khi nó nạp lại các thanh ghi khác. Dĩ nhiên, các chỉ thị để nạp hay hiệu chỉnh các thanh ghi bảng trang phải được cấp quyền để mà chỉ hệ điều hành có thể thay đổi bản đồ bộ nhớ. DEC PDP-11 là một thí dụ về kiến trúc như thế. Địa chỉ chứa 16 bits, và kích thước trang là 8 KB. Do đó, bảng trang chứa 8 mục từ mà chúng được giữ trong các thanh ghi nhanh.
Sử dụng các thanh ghi cho bảng trang chỉ phù hợp nếu bảng trang có kích thước nhỏ (thí dụ: 256 mục từ). Tuy nhiên, hầu hết các máy tính tương thời cho phép bảng trang rất lớn (thí dụ, 1 triệu mục từ). Đối với những máy này, việc sử dụng các thanh ghi nhanh để cài đặt bảng trang là không khả thi. Hay đúng hơn là, bảng trang được giữ trong bộ nhớ chính, và thanh ghi nền bảng trang (page-table base register-PTBR) chỉ tới thanh ghi bảng trang. Thay đổi các bảng trang yêu cầu thay đổi chỉ một thanh ghi, về căn bản cắt giảm thời gian chuyển ngữ cảnh.
Vấn đề với tiếp cận này là thời gian được yêu cầu để truy xuất vị trí bộ nhớ người dùng. Nếu chúng ta muốn truy xuất vị trí i, đầu tiên chúng ta phải xác định chỉ mục trong bảng trang, sử dụng giá trị trong độ dời PTBR bởi số trang cho i. Tác vụ này yêu cầu một truy xuất bộ nhớ. Nó cung cấp chúng ta số khung được nối kết với độ dời trang để sinh ra địa chỉ thực. Sau đó, chúng ta có thể truy xuất tới nơi được mong muốn trong bộ nhớ. Với cơ chế này, hai truy xuất bộ nhớ được yêu cầu để truy xuất một byte (một cho mục từ bảng trang, một cho byte đó). Do đó, truy xuất bộ nhớ bị chậm bởi một trong hai yếu tố đó. Sự trì hoãn này không thể chấp nhận dưới hầu hết trường hợp vì thế chúng ta phải sử dụng đến hoán vị!
Giải pháp chuẩn cho vấn đề này là dùng bộ lưu trữ (cache) phần cứng đặc biệt, nhỏ, tìm kiếm nhanh được gọi là translation look-aside buffer (TLB). TLB là bộ nhớ kết hợp tốc độ cao. Mỗi mục từ trong TLB chứa hai phần: một khoá (key) và một giá trị (value). Khi bộ nhớ kết hợp được biểu diễn với một thành phần, nó được so sánh với tất cả khoá cùng một lúc. Nếu thành phần được tìm thấy, trường giá trị tương ứng được trả về. Tìm kiếm nhanh nhưng phần cứng đắt. Điển hình, số lượng mục từ trong TLB nhỏ, thường từ 64 đến 1024.
TLB được dùng với các bảng trang trong cách sau. TLB chứa chỉ một vài mục từ bảng trang. Khi một địa chỉ luận lý được phát sinh bởi CPU, số trang của nó được hiện diện trong TLB. Nếu số trang được tìm thấy, khung của nó lập tức sẳn dùng và được dùng để truy xuất bộ nhớ. Toàn bộ tác vụ có thể mất ít hơn 10% thời gian nếu dùng tham chiếu bộ nhớ không được ánh xạ.
Nếu số trang không ở trong TLB (còn gọi là mất TLB), tham chiếu bộ nhớ tới bảng trang phải được thực hiện. Khi số khung đạt được, chúng ta có thể dùng nó để truy xuất bộ nhớ (như hình VII-16). Ngoài ra, chúng ta thêm số trang và số khung tới TLB để mà chúng có thể được tìm thấy nhanh trên tham chiếu tiếp theo. Nếu một TLB đã đầy các mục từ, hệ điều hành phải chọn một mục từ để thay thế. Các chính sách thay thế rất đa dạng từ ít được sử dụng gần đây nhất (least recently used-LRU) tới chọn ngẫu nhiên. Ngoài ra, một số TLB cho phép các mục từ được wired down. Nghĩa là, chúng không thể được xoá khỏi TLB. Điển hình, các mục từ cho nhân thường được wired down.
Một số TLB lưu trữ các định danh không gian địa chỉ (address-space identifers-ASID) trong mỗi mục từ của TLB. Một ASID định danh duy nhất mỗi quá trình và được dùng để cung cấp việc bảo vệ không gian địa chỉ cho quá trình đó. Khi TLB cố gắng phân giải các số trang ảo, nó đảm bảo ASID cho mỗi quá trình hiện đang chạy trùng khớp với ASID được nối kết với trang ảo. Nếu các ASID không khớp, chúng được xem như mất TLB. Ngoài ra, để cung cấp việc bảo vệ không gian địa chỉ, một ASID cho phép TLB chứa các mục từ cho nhiều quá trình khác nhau cùng một lúc. Nếu TLB không hỗ trợ các ASID riêng thì mỗi lần một bảng trang được chọn (thí dụ, mỗi chuyển ngữ cảnh), một TLB phải được đẩy (hay được xoá) để đảm bảo rằng các quá trình đang thực thi tiếp theo không sử dụng thông tin dịch sai. Ngược lại, có những mục từ cũ trong TLB chứa các địa chỉ ảo nhưng có các địa chỉ không đúng hay không hợp lệ để lại từ quá trình trước.