Virtuální vs Fyzická paměť

Virtuální adresa a fyzická adresa jsou klíčové pojmy ve správě paměti v moderních počítačových systémech. Tyto pojmy souvisejí s tím, jak operační systém a hardware pracují s pamětí při provádění programů.

1. Fyzická Adresa

Fyzická adresa je skutečná adresa v paměti (RAM), kde jsou uložena data. Fyzické adresy odpovídají skutečným místům v paměťových čipech počítače. Procesor přímo přistupuje k datům v paměti prostřednictvím fyzických adres.

• Vlastnosti:
  • Fyzická adresa je jedinečná a reprezentuje konkrétní umístění v paměti RAM.
  • Vytváří se při překladu virtuálních adres pomocí správce paměti (MMU - Memory Management Unit).
  • Je přístupná pouze operačním systémem a hardwarem, nikoli přímo programy.

2. Virtuální Adresa

Virtuální adresa je adresa, kterou programy používají k přístupu k paměti. Virtuální adresy jsou přeloženy na fyzické adresy operačním systémem a hardwarem (pomocí MMU) při vykonávání programu.

• Vlastnosti:
  • Virtuální adresy umožňují vytvoření izolovaných adresních prostorů pro každý proces. Každý proces má svůj vlastní virtuální adresní prostor, což znamená, že různé procesy mohou používat stejné virtuální adresy bez kolizí.
  • Programy pracují pouze s virtuálními adresami, což zajišťuje bezpečnost a izolaci mezi procesy.
  • Virtuální paměť umožňuje, aby programy měly přístup k více paměti, než je fyzicky dostupná, pomocí technik jako je stránkování (paging) a swapování (swapping).

3. Jak Virtuální Adresa Funguje

Když program přistupuje k datům pomocí virtuální adresy, následuje několik kroků:

1. Program generuje virtuální adresu: Program například přistupuje k proměnné, která má virtuální adresu 0x0040F000.

2. Překlad virtuální adresy na fyzickou: Memory Management Unit (MMU), což je speciální hardwarová komponenta, překládá tuto virtuální adresu na fyzickou adresu v RAM. Tento překlad je řízen tabulkami stránek (page tables), které mapují virtuální adresy na fyzické adresy.

3. Přístup k fyzické paměti: Jakmile je známa fyzická adresa (např. 0x00A0F000), procesor použije tuto adresu k přístupu k odpovídajícím datům v RAM.

4. Příklad z praxe

Představte si, že máte dva programy běžící na stejném počítači. Oba mohou mít proměnné s virtuální adresou 0x0040F000. Díky virtuální paměti může operační systém zajistit, že:

• Program A má virtuální adresu 0x0040F000 přeloženou na fyzickou adresu 0x00A0F000.
• Program B má virtuální adresu 0x0040F000 přeloženou na fyzickou adresu 0x00B0F000.

Takto každý program pracuje se svým vlastním "virtuálním" adresním prostorem, aniž by zasahoval do paměti jiných programů.

5. Shrnutí

• Virtuální Adresa: Adresa používaná programem. Poskytuje izolaci a ochranu mezi procesy, což zvyšuje stabilitu a bezpečnost systému.
• Fyzická Adresa: Skutečné umístění v RAM, kde jsou uložena data. Programy k ní nemají přímý přístup; operační systém a hardware zajišťují překlad mezi virtuální a fyzickou adresou.

Virtuální adresace umožňuje moderním operačním systémům efektivně spravovat paměť, zajišťovat bezpečnost a umožnit běh velkých aplikací, které by se jinak nevešly do fyzické paměti.