На рисунке 8.3 показана трансляция адреса PowerPC в режиме активных тегов. Аппаратура определяет, является ли 64-разрядный адрес, используемый программой, транслируемым адресом, адресом E = R или адресом E = DS. Для классификации используются старшие 12 разрядов (3 шестнадцатиричные цифры) эффективного адреса. Если эти три старшие цифры равны 800, то это адрес E = R. Некоторые компоненты SLIC, которым нужен доступ ко всем частям памяти, работают с реальными адресами, как и большая часть кода управления памятью. Часть пространства эффективных адресов зарезервирована для адресов E = R. Не случайно именно 252 этих адресов (64 разряда — 12 старших разрядов для 800 = 252) соответствуют диапазону реальных адресов.

Рисунок 8.3. Трансляция адреса в режиме активных тегов

Когда аппаратура обнаруживает адрес E=R, она проверяет разряд проблемного состояния, чтобы определить, может ли процесс, сгенерировавший такой адрес, выполнять привилегированные команды: PowerPC (MSRPR = 0). Если это так, то остальные 52 разряда адреса E=R передаются непосредственно основной памяти как реальный адрес. Если MSRPR = 1, то в зависимости от версии процессора, он будет либо генерировать прерывание, либо рассматривать адрес как транслируемый — разные процессоры PowerPC реагируют по-разному. Если использование адреса E=R допустимо, то накладных расходов при трансляции адреса не возникает. Мы любим говорить, что число 800 — ключ, открывающий бесплатный доступ к памяти.

Для доступа к пространству ввода-вывода, которое мы кратко обсудили в главе 2, в архитектуре PowerPC используется диапазон адресов, называемых адресами прямого сохранения. Это внешнее адресное пространство, которое для процессора выглядит как часть памяти. На самом деле, оно, конечно, таковым не является; эти адреса используются для обозначения подключенных к системе устройств ввода-вывода.

Обычно, устройства в любой системе подключены к шине ввода-вывода. В главе 10 мы расскажем, что устройства AS/400 подключены к процессорам ввода-вывода, которые, в свою очередь, подключены к шинам ввода-вывода. Таким образом, адрес прямого сохранения используется в AS/400 для идентификации как шины ввода-вывода, так и подключенного к ней процессора ввода-вывода.

В архитектурах данного типа, которые часто называют вводом-выводом, отображенным в память, специальный набор команд процессора для работы с устройствами не требуется. Взамен для передачи команд и данных применяют любые команды загрузки или сохранения в это внешнее адресное пространство.

Если старшие три шестнадцатиричные цифры эффективного адреса равны 801, то это адрес E = DS. Обнаружив этот адрес, аппаратура проверяет разряд проблемного состояния, чтобы определить, может ли процесс, сгенерировавший адрес, выполнять привилегированные команды PowerPC (MSRPR= 0). Если это так, то остальные 52 разряда адреса E = DS передаются непосредственно пространству ввода-вывода. Как и адреса E = R, адреса E = DS имеют 228 эффективных сегмента. Если MSRPR = 1, то в зависимости от версии процессора, он будет либо генерировать прерывание, либо рассматривать адрес как транслируемый.

Если три старшие шестнадцатиричные цифры не равны ни 800, ни 801, то это транслируемый адрес. Так как система находится в режиме активных тегов, то эффективный адрес является виртуальным. Для трансляции виртуального адреса в реальный используется таблица страниц.

Рисунок 8.4. Этапы трансляции адреса (режим активных тегов)

На рисунке 8.4 представлены этапы трансляции адреса в режиме активных тегов. Старшие 40 разрядов эффективного адреса называются идентификатором эффективного сегмента (ESID), а младшие 24 — смещением. Как показано на рисунке, смещение подразделяется на страничное и байтовое. Каждое из полей смещения имеет длину 12 разрядов. Страничное смещение задает страницу сегмента, а байтовое — байт страницы.

Первый шаг процесса трансляции — создание идентификатора виртуального сегмента (VSID). В режиме активных тегов это просто ESID. Виртуальный адрес, как и эффективный, имеет размер 64 разряда и включает 24-разрядное смещение. VSID и страничное смещение виртуального адреса составляют номер виртуальной страницы (VPN). На рисунке 8.4 видно, что VPN имеет длину 52 разряда. VPN используется для определения номера реальной страницы (RPN) по таблице страниц. RPN — это номер страничного фрейма в памяти, а не номер страницы на диске. Байтовое смещение всегда передается от эффективного адреса виртуальному и затем реальному без изменений. Оно задает байт на 4-килобайтной странице и никогда не участвует в процессе трансляции.

Для сравнения на рисунке 8.5 показаны этапы трансляции адреса в режиме неактивных тегов. Данный механизм трансляции не используется в AS/400, но все же полезно представлять себе как сходство, так и различие трансляции адреса в AS/400 и в таких ОС, как AIX. В данном случае, ESID используется для обращения к таблице сегментов, из которой извлекается VSID. Обращение к таблице страниц, которое мы скоро рассмотрим, в режимах активных и неактивных тегов выполняется одинаково. Следует также отметить размер полей адреса. В режиме неактивных тегов порции смещения (поля страницы и байта) эффективного и виртуального адреса равны 28 разрядам, в режиме активных тегов — 24. 28 разрядов были выбраны в соответствии с числом разрядов смещения в прежней 32-разрядной архитектуре Power и по-прежнему используются на некоторых процессорах RS/6000.

Рисунок 8.5. Этапы трансляции адреса (режим неактивных тегов)

Мы не станем подробно рассматривать таблицу сегментов и сосредоточим свое внимание на таблице страниц. Ее реализация очень похожа на реализацию таблицы сегментов, где для поиска записи применяется тот же общий подход.

В AS/400 трансляция виртуального адреса в реальный, использующая таблицу страниц, более важна, чем трансляция сегментов, так как большинство эффективных адресов обходят таблицу сегментов.

Таблица страниц — структура данных в памяти, содержащая RPN. При построении таблицы страниц в большинстве отличных от AS/400 реализаций виртуальной памяти, каждой странице виртуальной памяти соответствует одна запись в таблице. Номер виртуальной страницы — VPN — используется как индекс в таблице страниц для выбора одной из записей. Выбранная запись содержит номер реальной страницы — RPN, который затем становится частью реального адреса.

Описанная структура страничных таблиц используется многими системами, например System/370. Предположим, что у нас есть компьютер с 32-разрядным виртуальным адресом и 4-килобайтной страницей. Размер VPN для этого адреса — 20 разрядов. Если далее предположить, что одна запись страничной таблицы занимает 4 байта, то размер всей таблицы составит 4 МБ. Такая таблица очень велика, но все-таки приемлема для систем с большими объемами памяти. Однако, если виртуальный адрес больше 32 разрядов (48 или 64), то размер обычной страничной таблицы становится неприемлемо большим.

System/38 была первой из массовых вычислительных систем, где использовалась инвертированная таблица страниц. В такой таблице содержится по одной записи на каждую реальную страницу (страничный фрейм) памяти, а не на каждую виртуальную страницу памяти, расположенную на диске. Общий размер такой инвертированной таблицы прямо зависит от размера памяти. Чем больше память, тем больше размер таблицы, но доля памяти, занятая таблицей остается неизменной.