Physical memory это оперативная память

Обновлено: 07.07.2024

Главная задача компьютерной системы – выполнять программы. Программы вместе с данными, к которым они имеют доступ , в процессе выполнения должны (по крайней мере частично) находиться в оперативной памяти . Операционной системе приходится решать задачу распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС. Эта деятельность называется управлением памятью. Таким образом, память ( storage , memory ) является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления. В недавнем прошлом память была самым дорогим ресурсом.

Часть ОС, которая отвечает за управление памятью , называется менеджером памяти.

Физическая организация памяти компьютера

Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня: основную (главную, оперативную , физическую ) и вторичную (внешнюю) память.

Основная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Процессор извлекает команду из основной памяти , декодирует и выполняет ее. Для выполнения команды могут потребоваться обращения еще к нескольким ячейкам основной памяти . Обычно основная память изготавливается с применением полупроводниковых технологий и теряет свое содержимое при отключении питания.

Вторичную память (это главным образом диски) также можно рассматривать как одномерное линейное адресное пространство , состоящее из последовательности байтов. В отличие от оперативной памяти , она является энергонезависимой, имеет существенно большую емкость и используется в качестве расширения основной памяти .

Эту схему можно дополнить еще несколькими промежуточными уровнями, как показано на рис. 8.1. Разновидности памяти могут быть объединены в иерархию по убыванию времени доступа, возрастанию цены и увеличению емкости.

Многоуровневую схему используют следующим образом. Информация, которая находится в памяти верхнего уровня, обычно хранится также на уровнях с большими номерами. Если процессор не обнаруживает нужную информацию на i-м уровне, он начинает искать ее на следующих уровнях. Когда нужная информация найдена, она переносится в более быстрые уровни.

Локальность

Оказывается, при таком способе организации по мере снижения скорости доступа к уровню памяти снижается также и частота обращений к нему.

Ключевую роль здесь играет свойство реальных программ, в течение ограниченного отрезка времени способных работать с небольшим набором адресов памяти. Это эмпирически наблюдаемое свойство известно как принцип локальности или локализации обращений.

Свойство локальности (соседние в пространстве и времени объекты характеризуются похожими свойствами) присуще не только функционированию ОС, но и природе вообще. В случае ОС свойство локальности объяснимо, если учесть, как пишутся программы и как хранятся данные, то есть обычно в течение какого-то отрезка времени ограниченный фрагмент кода работает с ограниченным набором данных. Эту часть кода и данных удается разместить в памяти с быстрым доступом. В результате реальное время доступа к памяти определяется временем доступа к верхним уровням, что и обусловливает эффективность использования иерархической схемы. Надо сказать, что описываемая организация вычислительной системы во многом имитирует деятельность человеческого мозга при переработке информации. Действительно, решая конкретную проблему, человек работает с небольшим объемом информации, храня не относящиеся к делу сведения в своей памяти или во внешней памяти (например, в книгах).

Кэш процессора обычно является частью аппаратуры, поэтому менеджер памяти ОС занимается распределением информации главным образом в основной и внешней памяти компьютера. В некоторых схемах потоки между оперативной и внешней памятью регулируются программистом (см. например, далее оверлейные структуры ), однако это связано с затратами времени программиста, так что подобную деятельность стараются возложить на ОС.

Адреса в основной памяти , характеризующие реальное расположение данных в физической памяти , называются физическими адресами. Набор физических адресов, с которым работает программа, называют физическим адресным пространством .

Логическая память

Аппаратная организация памяти в виде линейного набора ячеек не соответствует представлениям программиста о том, как организовано хранение программ и данных. Большинство программ представляет собой набор модулей, созданных независимо друг от друга. Иногда все модули, входящие в состав процесса, располагаются в памяти один за другим, образуя линейное пространство адресов. Однако чаще модули помещаются в разные области памяти и используются по-разному.

Схема управления памятью, поддерживающая этот взгляд пользователя на то, как хранятся программы и данные, называется сегментацией. Сегмент – область памяти определенного назначения, внутри которой поддерживается линейная адресация. Сегменты содержат процедуры, массивы, стек или скалярные величины , но обычно не содержат информацию смешанного типа.

По-видимому, вначале сегменты памяти появились в связи с необходимостью обобществления процессами фрагментов программного кода (текстовый редактор, тригонометрические библиотеки и т. д.), без чего каждый процесс должен был хранить в своем адресном пространстве дублирующую информацию. Эти отдельные участки памяти, хранящие информацию, которую система отображает в память нескольких процессов, получили название сегментов . Память, таким образом, перестала быть линейной и превратилась в двумерную. Адрес состоит из двух компонентов: номер сегмента , смещение внутри сегмента . Далее оказалось удобным размещать в разных сегментах различные компоненты процесса (код программы, данные, стек и т. д.). Попутно выяснилось, что можно контролировать характер работы с конкретным сегментом , приписав ему атрибуты, например права доступа или типы операций, которые разрешается производить с данными, хранящимися в сегменте .

Рис. 8.2. Расположение сегментов процессов в памяти компьютера

Некоторые сегменты , описывающие адресное пространство процесса, показаны на рис. 8.2. Более подробная информация о типах сегментов имеется в лекции 10.

Большинство современных ОС поддерживают сегментную организацию памяти. В некоторых архитектурах (Intel, например) сегментация поддерживается оборудованием.

Адреса, к которым обращается процесс, таким образом, отличаются от адресов, реально существующих в оперативной памяти . В каждом конкретном случае используемые программой адреса могут быть представлены различными способами. Например, адреса в исходных текстах обычно символические. Компилятор связывает эти символические адреса с перемещаемыми адресами (такими, как n байт от начала модуля). Подобный адрес, сгенерированный программой, обычно называют логическим (в системах с виртуальной памятью он часто называется виртуальным) адресом. Совокупность всех логических адресов называется логическим (виртуальным) адресным пространством .

Связывание адресов

Итак логические и физические адресные пространства ни по организации, ни по размеру не соответствуют друг другу. Максимальный размер логического адресного пространства обычно определяется разрядностью процессора (например, 2 32 ) и в современных системах значительно превышает размер физического адресного пространства . Следовательно, процессор и ОС должны быть способны отобразить ссылки в коде программы в реальные физические адреса, соответствующие текущему расположению программы в основной памяти . Такое отображение адресов называют трансляцией (привязкой) адреса или связыванием адресов (см. рис. 8.3).

Связывание логического адреса, порожденного оператором программы, с физическим должно быть осуществлено до начала выполнения оператора или в момент его выполнения. Таким образом, привязка инструкций и данных к памяти в принципе может быть сделана на следующих шагах [Silberschatz, 2002].

С точки зрения архитектуры персональный компьютер устроен следующим образом:

материнская плата – базовый компонент, к которому подключаются практически все остальные элементы;
процессор (ЦП) – устройство, являющееся главным «счетоводом» системы. Все операции с числами происходят с его участием (кроме обработки видео);
операционная память – реализована в виде модулей, нужна для хранения информации, которую обрабатывает операционная система;
видеокарта – элемент, преобразующий данные в картинку, выводимую на монитор;
жесткий диск нужен для продолжительного хранения данных (винчестер);
периферийные устройства – монитор, мышь, клавиатура, принтер, модем и прочие.

Память компьютера делится на:

Операционную (физическую или RAM).
Виртуальную (файл подкачки) – раздел жесткого диска, нужный для расширения физической памяти.

Операционная система обращается со всеми видами памяти примерно одинаково: каждый блок информации находится в определенном месте и имеет физический адрес.

Что такое физическая память ПК

Физическая память представлена блоками (планками) микросхем. Главное ее отличие от файла подкачки – в намного большей скорости передачи данных.

Планки с микросхемами физической памяти для компьютера

Видеокарты также имеют модули памяти, эти чипы обладают рекордно малой задержкой времени при обмене информацией. Именно поэтому их сегодня используют для майнинга – добычи биткоина и других криптовалют.

Но если компьютерные планки памяти можно вытащить из слотов материнской платы и заменить, увеличив при этом общий объем или параметры, то с видеокартой это не получится. Менять придется устройство целиком.

Как узнать, сколько физической памяти «видит» система:

В режиме «Просмотр» выставляем «Категория», открываем раздел «Система и безопасность»

В разделе «Система» кликаем по подразделу «Просмотр имени этого компьютера»

В строке «Установленная память (ОЗУ)» смотрим количество физической памяти на ПК

Как узнать состояние памяти

Состояние памяти легко уточнить, открыв «Диспетчер задач» Windows (штатный диагностический комплекс системы):

Одновременное нажатие клавиш «Ctrl+Alt+Delete» – вызов меню блокировки системы.
Нажать кнопку «Запустить диспетчер задач».

Кликаем по закладке «Быстродействие» и в левом нижнем углу изучаем информацию о физической памяти

Во вкладке «Память» смотрим данные программ, которые сильно загружают физическую память

На заметку! Если какие-то приложения слишком много занимают места, их можно закрыть, но некоторые системные процессы завершить не удастся.

Первые шаги по устранению проблемы

Для улучшения быстродействия можно применять различные утилиты, но в большинстве случаев хватит штатных средств. Важно понять причину проблемы.

Самый первый шаг – проверка на вирусы. Трояны и другие вредоносные программы могут сильно «тормозить» систему, вечно занимая RAM. Это же касается загрузки ЦП, интернет-канала.

Наличие вирусов на компьютере могут замедлять его работу и занимать физическую память компьютера

Рекомендуется использовать для лечения продукты крупных компаний:

Kaspersky;
Dr.Web;
Bitdefender Internet Security;
Antivirus Free Edition;
ПО компании Avast.

Совет! Для ускорения процесса лечения можно перезагрузить компьютер в безопасном режиме, при этом активируются только жизненно необходимые службы и драйвера. Это уменьшит время проверки.

1 способ: вынуть и протестировать на другом ПК;
2 способ: удалить часть из них, вставлять по одному. Проследить, какие произошли изменения. При необходимости – заменить неисправную планку.

При загрузке физической памяти проверяем работоспособность модулей памяти

Важно! Если платы были приобретены недавно, следует обратиться в сервисный центр или магазин. Возможно, микросхемы бракованные.

Распространенные проблемы и оптимизация

Наиболее вероятные случаи:

какие-то из программ активны и потребляют слишком много ресурсов ПК («грузят» процессор и физическую память). Если они не нужны, их лучше удалить;
требуется обновление или переустановка системы, драйверов или прошивки BIOS;
нужно увеличить объем в связи с установкой новых программ;
неверно выставлены настройки BIOS Setup.

Шаг 1. Если нехватка памяти связана с работой конкретной программы или игры, недавно установленной на компьютер, возможно, требуется просто нарастить объем. Уточнить системные требования к системе (минимальные и рекомендуемые) можно в документации к программному обеспечению или на сайте производителя ПО.

При загрузке физической памяти уточняем системные требования для своей ОС

Шаг 2. Распространенным случаем считается автозагрузка программ вместе с системой. Со временем их становится больше, и в один прекрасный момент физической памяти в Windows уже не хватает на всех.

Для удаления софта из списка загружаемых совместно с ОС программ следует:

В поле поиска меню «Пуск» вводим «Msconfig», нажимаем «Enter»

Снимаем галочки с тех программ, которые не нужно загружать, нажимаем «Применить», затем «ОК»

Шаг 3. Проверить установки БИОС. BIOS Setup – диагностическая программа, тестирующая ПК перед стартом. Она же включает некоторые дополнительные функции материнской платы, иногда необходимые для корректной работы компонентов (в частности – физической памяти).

Для входа следует:

нажать и удерживать клавишу «Del» (или «F12») перед запуском ПК;
среди пунктов меню искать разделы «Memory Configuration».

Находим раздел «Memory Configuration», меняем настройки согласно документации

В разных версиях БИОС опции, касающиеся оперативной памяти, отличаются. Важно ознакомиться с документацией к материнской плате, а также допустимыми параметрами для модулей памяти.

Совет! Если произошла путаница с настройками, следует выбрать опцию со сбросом на заводские установки. В меню нужно искать пункт с ключевыми словами «Fail-Safe Defaults». Обычно – в конце списка. Выбрать и подтвердить.

Как еще уменьшить нагрузку на оперативную память Windows 7

Если физическая память загружена на 90 и более процентов, но при этом не запущены «ресурсоемкие» процессы (игры, графические и видео редакторы), то наиболее вероятным виновником является браузер. Такие программы, как Firefox и Chrome позволяют открывать множество вкладок. В результате все содержимое интернет-страниц поступает в ОЗУ. Это обеспечивает комфортную работу, но тормозит ПК. Рекомендуется закрыть ненужные вкладки. Особенно те, которые отображают большое количество картинок и видео.

Содержимое интернет-страниц поступает в физическую память и может ее сильно загружать

Два фундаментальных способа оптимизации ОЗУ

Увеличение объема виртуальной памяти – файл подкачки располагается на жестком диске. Хотя винчестер медленнее ОЗУ, данный способ позволит «сбрасывать» не нужные в данный момент файлы из RAM на жесткий диск, освобождая место для более важной информации. Лучше всего располагать его не на том диске, где стоит Windows, а на втором (если винчестеров два). А при наличии SD-накопителя – рекомендуется использовать его. Flash-память будет работать быстрее.

Применение технологии ReadyBoost

Если имеется свободная флешка, можно заставить ее стать дополнительным модулем ОЗУ. Принцип работы тот же, что и у виртуальной памяти. Резервируется свободное место, и туда отправляются временные файлы из ОЗУ. Для использования технологии следует :

Кликаем правой кнопкой мышки по флешке, затем левой кнопкой по строке «Свойства»

Отмечаем галочкой опцию «Предоставлять это устройство для технологии ReadyBoost», вводим рекомендуемое значение, жмем «Применить»-«ОК»

Управление службой SuperFetch

В Windows XP работал похожий сервис, оптимизирующий работу с ОЗУ – Prefetch, а начиная с седьмой версии, произошла доработка и появилась более совершенная служба.

Ее основная цель – отслеживать список часто открываемых пользователем приложений и ускорения доступа к ним.

Отключить данный сервис просто.

В поле поиска меню «Пуск» пишем команду «services.msc», нажимаем «Ввод»

Дважды кликаем мышкой на названии службы «SuperFetch»

При выборе опции «Отключена», в разделе «Тип запуска», служба не будет запускаться никогда.

Пи выборе в «Тип запуска» опции «Отключена» служба никогда не будет работать

В каких случаях рекомендуется отключение:

мало ОЗУ (1 Гб или меньше);
возникают проблемы с работой SuperFetch (постоянные ошибки).

Отключение не повлияет на функциональность важных компонентов системы.

Заключение

Оптимизировать ОЗУ можно без загрузки дополнительных программ, которые также занимают место.

Включение передней звуковой панели на Windows 7

Совет! Включить переднюю звуковую панель на Windows 7 можно, переустановив драйверы встроенной звуковой карты.

Если это не помогло, то нужно:

Войти в BIOS Setup, нажав и удерживая клавишу «Del» (или «F12») перед запуском ПК.
В разделе «Advanced» открыть опцию «Onboard Device Configuration» (или – «I/O Device Configuration»).

В разделе «Advanced» переходим к опции «Onboard Device Configuration» и открываем нажатием «Enter»

Находим пункт «Front Panel Type», выбираем значение «AC97»

После перезагрузки проверить настройки звуковой платы:

Щелкаем правой кнопкой мыши на пиктограмме оранжевого динамика на панели задач справа

Снимаем галочку с опции «Отключить определение гнезд передней панели», нажимаем «ОК»

Работал этот механизм приблизительно так: каждый процесс мог обращаться к любой ячейке памяти из диапазона [0, 2^32 - 1] (такой диапазон называется виртуальным адресным пространством). Адресное пространство (виртуальное и физическое) условно делилось на блоки (страницы) по 4Кб, таким образом адрес ячейки (32-битное число) естественным образом можно было интерпретировать как пару (индекс страницы (20 бит), смещение в странице (12 бит)).

Получив запрос на обращение к ячейке памяти (p, o), процессор обращался к уникальной для каждого процесса таблице (в первом приближении ее можно считать массивом из 2^20 32-битных чисел) по индексу страницы p. В этой таблице для всех страниц виртуального адресного пространства процесса прописывались индексы страниц физической памяти (20-битное число) и некоторая служебная информация (12-битное число: флаг доступности страницы в физической памяти (present flag), флаг возможности записи (write flag), флаг изменения страницы (dirty flag) и т.д.). В случае, если страница обнаруживалась в физической памяти, процессор вычислял физический адрес искомой ячейки, взяв ее смещение относительно начала страницы. В случае же если искомой странице не соответствовала страница в физической памяти, процессор бросал исключение page fault, которое перехватывала операционная система. Конечно, 4Мб на каждый процесс -- непозволительная трата ресурсов, поэтому вместо массива использовалось двухуровневое дерево. Массив из 2^20 элементов условно делился на 2^10 блока по 2^10 записей. Если блок полностью состоял из отсутствующих в физической памяти страниц, страницы, содержащей его, не было. Список из 2^10 блоков содержался в специальной странице.

Рассмотрим теперь пример использования памяти: попробуем представить себе как можно реализовать динамически расширяющийся массив (вектор). Нас будет интересовать операция расширения массива: предположим, массив уже занимает какую-то непрерывную область виртуального адресного пространства (под его данные было выделено несколько страниц виртуального адресного пространства). Мы хотим расширить этот массив, увеличив его размер вдвое, скопировать в новый массив старые данные. После чего старый массив нам становится не нужен. Тут возникают два вопроса: какие страницы резервировать и что делать со старыми страницами. Заметим, что резервирование новых страниц и сопоставление им физической памяти -- дорогое удовольствие. Понятно, что у нас может возникнуть необходимость выделить еще какие-то данные и старые выделенные страницы памяти могут нам пригодиться -- используя их мы сможем записать новые данные, не выделяя новые страницы. Также заметим, что нам нужно бережнее относиться к остаткам страницы (когда мы записываем данные, занимающие страницу не полностью) -- нужно помнить про свободные куски используемых страниц.

Память можно выделять и освобождать напрямую через системные функции [math]VirtualAlloc[/math] и [math]VirtualFree[/math] . Вызывая [math]VirtualAlloc[/math] , указывая размер блока памяти и желаемый атрибут доступа (обычно: чтение-запись). Система выделяет от свободной памяти блок. Теперь в программе выделена память, и есть указатель на нее. Когда память надо освободить - вызывайте [math]VirtualFree[/math] . Система переведёт память обратно в свободную. Но как говорилось ранее с памятью нужно работать эффективно, поэтому существует куча, которая манипулирует страницами для эффективной работы с памятью. Хорошая новость заключается в том, что работа с кучей реализована на уровне ОС и вам можно не реализовывать ее самостоятельно.

В стандартной библиотеке, пришедшей из языка C, [math]libc[/math] реализованы функции [math]malloc()[/math] и [math]free()[/math] , соответственно для выделения и освобождения памяти. В самом C++ есть аналогичные функции [math]new (new[])[/math] и [math]delete(delete[])[/math] .

Для каждого [math]malloc/new/new[][/math] должны вызываться [math]free/delete/delete[][/math] , т.к. память сама не освобождается при выходе из функций. Не вызвав эти функции, куча останется неосвобожденнной, и произойдут утечки памяти.

TODO: Переписать раздел про кучу подробнее и понятнее. Идея в том, чтобы сначала показать, что можно делать для эффективного распределения памяти, а потом обрадовать людей тем, что куча уже реализована.

TODO: Написать про аллокаторы

Чтобы понимать, почему работа с памятью на современных компьютерах устроена так, как она устроена, необходимо знать как она эволюционировала по мере увеличения производительности железа и по мере появления в железе новых фич.

Изначально, на самых первых компьютерах память для процессора представляла из себя просто массив байт. Например, для процессора i8086 размер этого массива был 2^20 байт (1МБ). Конечно, памяти в машине могло быть меньше. В этом случае запись в некоторые ячейки памяти игнорировалась. TODO: Уточнить, что происходит при чтении из несуществующей физической памяти (вероятно, читалась минус единица). Исполняемая программа могла читать или писать в любое место памяти. Из-за этого программа с ошибкой или вредоносная программа могли привести к некорректной работе всей системы.

Каждому процессу выделяется память, такая память называется виртуальной. В этой статье я покажу вам, чем отличаются виртуальная и физическая память Windows.

Виртуальная и физическая память Windows

Для каждого нового процесса, в операционной системе Windows, выделяется некоторый объём оперативной памяти. Процесс не обязательно должен использовать весь выделенный объем памяти, он может занять всего лишь часть. Этот объем памяти называется виртуальным адресным пространством.

Виртуальную память так назвали, потому что процесс думает что он в операционной системе один. Процесс видит только выделенный ему объём памяти (своё виртуальное адресное пространство) и не знает сколько в системе реально физической памяти.

Соотношение виртуальной памяти с физической

В общем работу виртуальной и физической памяти можно представить, таким образом:

процесс помещает свои данные в ячейки памяти, которые принадлежат его виртуальному адресному пространству;
вместе с тем, виртуальные ячейки связаны с физическими ячейками в оперативной памяти или на жестком диске в SWAP;
и в итоге процессу не обязательно знать про физическое расположение памяти.

Размер виртуального адресного пространства теоретически ограничивается архитектурой компьютера. Но операционная система накладывает дополнительные ограничения.

Архитектура	Теоретический предел	Реальный предел для системных компонентов Windows	Реальный предел для виртуального адресного пространства процесса
32-разрядная	4 ГБ	2 ГБ	2 ГБ
64-разрядная	16 ЭБ = = 17600000000 ГБ	128 ТБ = = 128000 ГБ	128 ТБ = = 128000 ГБ

Вы можете спросить, куда девается остальная память на 64-разрядной Windows? Она просто игнорируется, так как пока сложно себе представить такой объём оперативной памяти.

У физической памяти тоже есть лимит и он намного меньше чем лимиты для виртуальной памяти и составляет 24 ТБ.

Надеюсь вам стало понятнее зачем нужна виртуальная и физическая память Windows.

Читайте также: