論理アドレスを物理アドレスに変換する際、オペレーティング システムはどのような役割を果たしますか?
1. 仮想メモリ管理 :オペレーティング システムは、プログラムが実際の物理メモリの場所に依存しない論理アドレスを使用できるようにするメモリ管理技術である仮想メモリを実装します。これにより、複数のプログラムが同時に実行されている場合でも、各プログラムに独自の専用アドレス空間があるかのような錯覚が生じます。
2. ページテーブル :オペレーティング システムは、論理アドレスを物理アドレスにマップするデータ構造であるページ テーブルを維持します。各ページ テーブル エントリ (PTE) には、対応する論理ページが格納されている物理メモリ フレーム番号、アクセス許可やその他のプロパティを示すさまざまなフラグなどの情報が含まれています。
3. アドレス変換 :プログラムが論理アドレスを参照すると、ハードウェア コンポーネントであるメモリ管理ユニット (MMU) がメモリ アクセスを傍受し、アドレス変換プロセスを開始します。 MMU は、論理アドレスをインデックスとして使用して、ページ テーブル内の対応する PTE を検索します。
4. 変換ルックアサイド バッファ (TLB) :アドレス変換を最適化するために、オペレーティング システムは、最近使用された PTE を保存する小さなキャッシュである TLB を利用します。アドレス変換が要求されると、MMU は最初に TLB をチェックします。 TLB で PTE が見つかった場合は、物理アドレスが直接取得されるため、メモリ内のページ テーブルにアクセスする必要がなくなります。
5. ページ違反 :要求された論理アドレスが TLB 内に見つからない場合、または対応する PTE が無効な場合 (メモリ スワップまたはその他の理由により)、ページ フォールトが発生します。オペレーティング システムは、必要なページをディスクまたはその他のストレージ メディアから物理メモリにロードし、PTE を更新することによってページ フォールトを処理します。このプロセスでは、追加のディスク I/O 操作によりパフォーマンスが低下する可能性があります。
6. 保護とアクセス制御 :オペレーティング システムは、PTE に適切なアクセス許可を設定することでメモリを確実に保護します。プログラムが不正なメモリ領域にアクセスするのを防ぎ、システムの整合性を維持し、セキュリティの脆弱性を防ぎます。
オペレーティング システムは、仮想メモリの管理、ページ テーブルの維持、およびアドレス変換の実行により、プログラムで使用される論理アドレスと基盤となるハードウェア メモリの物理アドレス間のギャップを埋めるという重要な役割を果たします。これにより、メモリの効率的な使用が可能になり、プログラムが実行中にデータに正しくアクセスして操作できるようになります。