leri mantıksal sıfıra eşit olan sayfalar arasından bir seçim yapar.


Tüm sanal bellek sistemleri hareketsiz kılınmış; yani burada bulunan sayfaların sayfa değişimi için seçilip ikincil belleğe gönderilemeyeceği alanlara sahiptir.


Bir sanal bellek sisteminde, bir sonraki sıradüzene tümüne yazmanın(write-through) yaratacağı gecikme çok büyük olduğundan bunu karşılamak bir ara bellekle sağlanamaz. Bunun yerine, geri yazma (write-back) yöntemi kullanılır. Bellekte sadece bir sayfa yenisiyle değiştirildiğinde sadece o sayfa kopyalanır. Burada kullanılan teknik bir alt seviyedeki sıradüzene yazma tekniğine geri kopyalama(copy back) benzerdir.

İkincil bellekten (teker) aktarma zamanı, ikincil belleğe ulaşım zamanına göre çok daha kısa olduğundan kopyalamanın tek bir öbek yerine tüm bir sayfa için yapılması daha etkin bir çözüm oluşturmaktadır. Geri yazma yöntemi bu konu göz önünde bulundurularak tasarlanmalıdır. Değiştirmek üzere seçilen sayfanın geri kopyalanması gerekip gerekmediği denetlenerek yazmanın bu bilgiye göre yapılması verimliliği daha da arttıracaktır. Bir sayfanın bellekte okunduktan sonra değiştirilip değiştirilmediğinin izi sayfa tablosuna eklenen bir bit sayesinde sürülebilir. Bu bite kirli bit (dirty bit) adı verilir. Sayfa ilk yazıldığında bu bit kurulur. İşletim sistemi sayfayı değiştirmek üzere seçtiğinde kirli bit sayfanın yerine yenisi getirilmeden önce yazılması gerekip gerekmediğini gösterir.

Programın belleğe ulaşması önce fiziksel adrese ve daha sonra veriye ulaşmasıyla mümkündür. Bu yüzden başarımın arttırılmasında "alanda yerellik" özelliğinden yararlanılır. Sanal bir sayfanın adresi dönüştürüldüğünde sayfadaki öbeklere ulaşımın tekrarı ve dolayısıyla o dönüşümün yakın bir zamanda tekrar kullanılma ihtimali yüksektir. Günümüz makineleri yakın zamanda kullanılan sayfa tablosu satırlarını tutan ve adres dönüşümlerinin izini süren bir "önbelleğe (cache)" sahiptir. Bu özel yapıya Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB))
adı verilir.

Adres Dönüştürme Önbelleği sadece sayfa tablosu eşleştirmelerini tutan bir önbellektir. Sayfa bulma olayı ((vuruş) (hit)) gerçekleştiğinde gerçek adres numarası adresin yapılandırılması için kullanılır ve karşılık gelen bit mantıksal bire işaret eder. Eğer ADÖ’ de bir sayfa bulamama olayı ((ıska)(miss)) gerçekleşirse bunun nedeninin bir sayfa hatası mı yoksa sadece ADÖ’ den kaynaklanan bir sayfa bulamama (miss) mı olduğuna karar verilmelidir. Eğer sayfa bellekte mevcut ise sorunun ADÖ’ de bir dönüştürme hatasından ve eksikliğinden kaynaklandığı anlaşılır. Bu durumda işlemci sayfa tablosundaki adres dönüşümlerini Adres Dönüştürme Önbelleğine baştan yükleyerek, "başvuruyu (reference)" tekrar eder. ADÖ sayfa bulamama durumu donanımla veya yazılım kullanılarak halledilebilir. Eğer sayfa bellekte mevcut değil ise gerçek bir sayfa hatası (page fault) söz konusudur. Bu durumda işlemci, işletim sistemini "kural dışı durum (exception)" ile uyarır.

Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ), diğer sıradan önbellekler gibi" tam ilişkili, kümeli ilişkili" ya da "doğrudan eşlemeli" olarak tasarlanabilir.

Adres Dönüştürme Önbellekleri çoğunlukla küçüktür, satır sayısı çok hızlı bilgisayarlarda bile 128-256’yı geçmediğinden bu önbelleklerde karmaşık olan tam ilişkili aramanın masrafı fazla değildir. Çoğu orta düzey işlemcide küçük n yollu kümeli ilişkili düzen kullanılır. ADÖ kullanan bilgisayarlar önbellek erişimi için gereken çevrim sayısını azaltmak için önbellek erişimini ADÖ erişimi ile koşut olarak (aynı anda, eşzamanlı) yapar. Bu yöntem ile sanal adreslerin sayfa numaraları ADÖ’ de arama işlemi için kullanılırken sayfa eklemesi kısmı önbellek erişiminde dizin olarak görev yapar.

Eş zamanlı erişim ancak önbelleğe dizin olarak gönderilen bitler sanal adres dönüştürmesi sırasında değişmezse işe yarar. Bu durum küçük önbellekler, büyük sayfa boyutları ya da yüksek n yollu kümeli ilişkili önbellekler kullanma gereksinimini doğurur.

En iyi koşullarda bir sanal adres ADÖ tarafından dönüştürülerek önbelleğe yollanır ve ilgili veri bulunur, getirilir ve daha sonra işlemciye geri gönderilir. En kötü durumda ise "başvuru (reference)" sıradüzendeki bu üç yapıda da; yani ADÖ, sayfa tablosu ve önbellekte bulunamaz.

DECStation 3100’de kullanılan MIPS R2000 her ne kadar basit bir uygulamaya sahip olsa da özyapısı günümüz adres dönüştürme belleklerininkine çok benzerdir. Bellek sistemi 
4-KB sayfalar ve 32-bitlik adres uzayına sahiptir. Dolayısıyla, sanal sayfa numaraları 20 bit uzunluktadır. Sanal adres ile gerçek adres aynı boyutlara sahiptir. Adres dönüştürme önbelleği (ADÖ) 64 kayıt tutabilir ve tam eşlemelidir. ADÖ buyruk ve veri başvuruları tarafından paylaşılır. Her kayıt 64 bit genişliğindedir ve 20 bitlik etikete sahiptir ki bu etiket kaydın ADÖ’ de tutulan sanal sayfa numarasıdır. Sanal sayfa numarasına karşılık gelen gerçek sayfa numarası da 20 bit uzunluğundadır ve geçerli bit, kirli bit gibi sayman bitlerine yer verir.

Bir ADÖ sayma bulamama durumu meydana geldiğinde, MIPS donanımı başvurunun sayfa numarasını özel bir yazmaca kaydeder ve" kural dışı durum (exception)" üretir. Kural dışı durum işletim sistemini uyararak sorunun yazılım katmanında halledilmesini sağlar. Bulunamayan sayfanın gerçek adresini bulmak için ADÖ sayfa tablosunu sanal adres numarası ve yürürlükte olan sayfa tablosunun başlangıç adresini tutan yazmaç yardımıyla dizinler. Bir takım buyruk kümesi ile adres dönüştürme önbelleği güncellenir. İşletim sistemi sayfa tablosundaki eşlenen gerçek adresleri adres dönüştürme önbelleğine yerleştirir. Eğer geçersiz bir gerçek adresle karşılaşılmışsa hata oluşur. Bir ADÖ’ de sayfa bulamama durumu en az 10, ortalama olarak da 16 çevrimlik bir gecikmeye neden olur. Donanım değiştirilmek sayfa için bir önerme dizini tutar ve bu dizinden rastgele bir kayıt seçilir.

ADÖ’ de "koruma (protection)" sağlanması için yazma erişiminin denetimini sağlayan bir bit mevcuttur. Bu özellik, salt okunur sayfaların üzerine yazmayı engeller böyle bir istekle karşılaşıldığında da bir hata üretir.

Sanal bellek tasarımında göz önünde bulundurulması gereken temel noktalar:


Sanal belleğin geliştirilmesinden önceki dönemlerde (1940 ve 50’ler) büyükçe "izlenceler (program)", iki seviyeli saklamayı gerçekleştirebilmek için "üstyazım (overlaying)" yöntemleri gibi mantıksal çıkarımlara ihtiyaç duymaktaydı. İzlenceler "üst ek sayfaları (overlay)" birincil ve ikincil bellek arasında taşımakla görevliydi.

Sanal belleği bilişim dünyasına tanıtmanın temel gerekçesi birincil belleği genişletmek değil bu genişlemeleri yazılımcılar tarafından kolay kullanılabilir hale getirmekti.

Birçok sistem sanal bellek kullanımından önce de belleğin birden çok izlence arasında paylaşımını sağlayabilecek yeteneğe sahipti. PDP-10 ‘un ilk modellerinde görülen "taban ve sınır yazmaçlarını ( base and bounds registers)" bu duruma örnek olarak gösterebiliriz. Bu yöntem her bir uygulamaya 0’dan başlayan özel bir adres uzayı ve bunun yanında adresin bellekte uygulama için ayrılan kısmında olup olmadığını denetleyen bir sınır yazmacının kullanımını içerir. Eğer yazmaç adresin ilgili kısma ait olduğunu onaylarsa, karşılık gelen taban yazmacı içeriğini de ana bellekteki adresi göstermek üzere işleme dâhil eder. Bu sanal bellek kullanılmadan "bölümlere ayırmanın (segmentation)" basit bir biçimidir.

Sanal bellek 1952-1962 yılları arasında Manchester Üniversitesi’nde Atlas Bilgisayar için geliştirilmiş ve 1962 yılında tamamlanmıştır. Ancak Almanya’nın öncü bilgisayar bilimcilerinden ve Telefunken TR440 anabilgisayarının geliştiricisi olan "Fritz-Rudolf Güntsch" sanal bellek kavramını 1957 yılında doktora tezinde "(Logischer Entwurf eines digitalen Rechengerätes mit mehreren asynchron laufenden Trommeln und automatischem Schnellspeicherbetrieb (Sayısal çoklu zamanuyumsuz tambura(bazı tip makineli tüfeklerde ve tepkisiz toplarda, içerisine mermi konulan silindir şeklindeki şarjör) saklama ve özdevimli hızlı bellek biçimli bilgisayar düzeni mantık kavramı)( Logic Concept of a Digital Computing Device with Multiple Asynchronous Drum Storage and Automatic Fast Memory Mode ) )" kendisinin yarattığını iddia etmiştir.

1961’de "Burroughs," sanal belleğe sahip ilk ticari bilgisayarı olan B5000’i piyasaya sürdü. Sistem "sayfalama (paging)" yerine "bölümlere ayırma (segmentation)" kullanmaktaydı.

Bilgisayar bilimi tarihindeki birçok teknoloji gibi sanal belleğin benimsenmesi de birçok güçlüklerle karşılaştı. Anabilgisayarların işletim sistemlerinde uygulanmasından önce karşılaşılan birçok sorunla baş etmek için çeşitli modeller, deneyler ve kuramların geliştirilmesi gerekti. "Devingen adres dönüşümleri" özelleştirilmiş, pahalı ve kurulumu zor donanımı ve belleğe erişimi kısmen yavaşlatması en büyük sorunlarıydı. Ayrıca tüm sistemi kapsayan uygulama ve algoritmaların ikincil belleği kullanmasındaki etkinliği düşüreceğine dair endişeler bulunmaktaydı.

1969’a gelindiğinde sanal belleğin ticari bilgisayarlarda kullanımına dair tartışmalar da sona ermişti. "David Sayre"’nin liderliğindeki bir IBM araştırma grubu sanal belleğin diğer sistemlerden çok daha iyi çalıştığını ortaya koydu.

Sanal belleği tanıtan ilk "minibilgisayar(minicomputer)" Norveç üretimi NORD-1 oldu.1970ler boyunca, VAX modelleri başta olmak üzere başka minibilgisayarlar da sanal belleği uygulamaya koydu.

Sanal bellek "X86 mimarisi"ne Intel’in I286 (80286) işlemcisinin "güvenli biçimi (protected mode)" ile tanıtıldı. Önceleri "bölüm takası (segment swapping)" ile gerçekleştirildi ancak büyük "bölümlerde (segment)" sorun yaratıyordu. Intel 80386 mevcut bölmelere ayırma katmanının altında işleyen "sayfalama(paging)" yöntemini tanıttı. Artık "sayfa hatası (page fault)" diğer "kural dışı durumlarla (exception)" birlikte değerlendirilebilmekteydi.






Abdürrahman Eşref

Abdürrahman Eşref (ö. 1748), Osmanlı alim ve divan şairidir. "Kıbrıs Mollası" adı da verilir. İstanbul'da doğmuştur. Divan şairi Ahmed Nedim'in amcasıdır. Medresede öğrenim gör