Stránkování

Stránkování je technika správy paměti, která eliminuje potřebu spojitého přidělování fyzické paměti. Místo toho jsou virtuální adresní prostor i fyzická paměť rozděleny na stejně velké bloky, které nazýváme stránky (v případě virtuální paměti) a rámce (v případě fyzické paměti).

Základní Pojmy Stránkování:

1. Stránky a Rámce:

   • Stránka: Blok virtuální paměti o pevné velikosti.
   • Rámec: Blok fyzické paměti o stejné velikosti jako stránka.

   Virtuální paměť je rozdělena na stránky, zatímco fyzická paměť je rozdělena na rámce. Když se proces spouští, jeho stránky jsou načteny do dostupných rámců paměti.

2. Stránkovací Tabulka:

   • Každý proces má svou stránkovací tabulku, která mapuje virtuální stránky na fyzické rámce. Stránkovací tabulka obsahuje základní adresy jednotlivých stránek ve fyzické paměti.

3. Překlad Adres:

   • Procesor generuje virtuální adresu, která je rozdělena na dvě části: číslo stránky a offset. Číslo stránky se používá k indexování do stránkovací tabulky, aby se našlo odpovídající číslo rámce. K základní adrese rámce se přičte offset a vznikne tak fyzická adresa.

Příklad: Stránkování v Práci

Představme si příklad se základním scénářem:

• Máme systém s virtuálním adresním prostorem 16 stránek, přičemž každá stránka má velikost 1KB. Fyzická paměť má velikost 64KB a je rozdělena na 16 rámců.

• Struktura Virtuální Adresy:

  • Číslo stránky: 4 bity (protože máme 16 stránek, a 2^4 = 16)
  • Offset: 10 bitů (protože každá stránka má 1KB, a 2^10 = 1024 bajtů)

Předpokládejme, že proces má následující stránky načteny v paměti:

Pokud proces generuje virtuální adresu 0x0205 (což je v šestnáctkové soustavě a přeloží se do binární podoby jako 0000 0010 0000 0101):

1. Číslo Stránky: První 4 bity (0000) odpovídají stránce 2.
2. Offset: Dalších 10 bitů (0000 0101) je offset v rámci této stránky.

Pomocí stránkovací tabulky systém zjistí, že virtuální stránka 2 je mapována na fyzický rámec 3. Konečná fyzická adresa je základní adresa rámce 3 plus offset 5, což se přeloží do skutečné adresy v RAM.

Výhody Stránkování:

• Odstranění Externí Fragmentace: Díky tomu, že stránky a rámce mají pevnou velikost, nedochází k externí fragmentaci.
• Efektivní Využití Paměti: Stránky mohou být načteny do libovolného dostupného rámce paměti, což umožňuje efektivní využití paměti.

Stránkovací Chyby (Page Faults):

Stránkovací chyba nastane, když se proces pokusí přistoupit na stránku, která není aktuálně mapována na fyzický rámec (tj. stránka není v RAM). Operační systém pak musí načíst požadovanou stránku z sekundárního úložiště (např. disku) do paměti.

Příklad Stránkovací Chyby:
Pokud se proces pokusí přistoupit na stránku, která nebyla načtena do RAM (např. virtuální stránka 4 v našem příkladu), procesor vyvolá stránkovací chybu. Operační systém pak provede následující kroky:

1. Najde dostupný rámec ve fyzické paměti.
2. Načte požadovanou stránku z disku do tohoto rámce.
3. Aktualizuje stránkovací tabulku tak, aby odrážela nové mapování.

Po zpracování stránkovací chyby proces pokračuje, jako by k chybě nedošlo.