Un aspecto importante de la gestión de la memoria que la paginación convierte en inevitable es la separación de la visión que el usuario tiene de la memoria y la memoria física real. La visión del usuario no coincide con la memoria física real. La visión del usuario se transforma en la memoria física. La traducción de direcciones permite esta diferencia entre la memoria lógica y la física.

¿Cuál es la visión de la memoria que tiene el usuario ? Concibe el usuario la memoria como una tabla lineal de palabras, algunas de las cuales contienen instrucciones mientras que otras contienen datos, o bien se prefiere alguna otra visión de la memoria ? Hay un acuerdo general en que el usuario o programador de un sistema no piensa en la memoria como una tabla lineal de palabras. Más bien prefieren concebirla como una colección de segmentos de longitud variable, no necesariamente ordenados (fig. 6.14).

Consideremos cómo ve usted un programa cuando lo está escribiendo. Piensa en él como un programa principal, con un conjunto de subrutinas, procedimientos, funciones o módulos. También puede haber diversas estructuras de datos: tablas, matrices, pilas, variables, etc. Cada uno de estos módulos o elementos de datos se referencian por un nombre. Usted habla de la "tabla de símbolos", A "la función Sqrt", "el programa principal", sin tener en cuenta qué direcciones de memoria ocupan estos elementos. Usted no se preocupa de si la tabla de símbolos se almacena antes o después de la función Sqrt. Cada uno de estos elementos es de longitud variable; la longitud está definida intrínsecamente por el propósito del segmento en el programa. Los elementos dentro de un segmento están identificados por su desplazamiento desde el principio del segmento: la primera instrucción del programa, la decimoséptima entrada de la tabla de símbolos la quinta función Sqrt, etc.

La segmentación es un esquema de administración de la memoria que soporta la visión que el usuario tiene de la misma. Un espacio de direcciones lógicas es una colección de segmentos. Cada segmento tiene un nombre y una longitud. Las direcciones especifican tanto el nombre del segmento como el desplazamiento dentro del segmento. Por lo tanto, el usuario especifica cada dirección mediante dos cantidades: un nombre de segmento y un desplazamiento. (Compárese este esquema con la paginación, donde el usuario especificaba solamente una única dirección, que el hardware particionaba en número de página y desplazamiento, siendo todo ello invisible al programador).

Por simplicidad de implementación, los segmentos están numerados y se referencian por un número de segmento en lugar de por un nombre. Normalmente el programa de usuario se ensambla (o compila), y el ensamblador (o el compilador) construye automáticamente segmentos que reflejan el programa de entrada. Un compilador de Pascal podría crear segmentos separados para (1) las variables globales, (2) la pila de llamada de procedimientos, para almacenar parámetros y devolver direcciones, (3) el código de cada procedimiento o función, y (4) las variables locales de cada procedimiento y función. El cargador tomaría todos esos segmentos y les asignaría números de segmento.

Aunque el usuario ahora puede referenciar los objetos del programa por medio de una dirección de dos dimensiones, la memoria física real es todavía, por supuesto, una secuencia unidimensional de palabras. La transformación se efectúa por medio de una tabla de segmentos.

El empleo de una tabla de segmentos se muestra en la figura 6.15. Una dirección lógica consta de dos partes: un número de segmento s y un desplazamiento dentro de ese segmento, d. El número de segmento se utiliza como un índice en la tabla de segmentos. Cada entrada de la tabla de segmentos tiene una base de segmento y un límite. El desplazamiento d de la dirección lógica tiene que estar comprendido entre 0 y el límite de segmento. En caso contrario se produce una excepción al sistema operativo (tentativa de direccionamiento lógico más allá del fin de segmento). Si este desplazamiento es legal, se añade a la base para producir la dirección de la tabla deseada en la memoria física. La tabla de segmentos es así esencialmente una matriz de pares registros base/límite.

  ENLACE A LA SIMULACIÓN DE MEMORIA SEGMENTADA

Al igual que la tabla de páginas, la tabla de segmentos puede situarse bien en registros rápidos o bien en memoria. Una tabla de segmentos mantenida en registros puede ser referenciada muy rápidamente: la adición a la base y la comparación con el límite pueden realizarse simultáneamente para ahorrar tiempo. El PDP-11/45 utiliza este método; tiene 8 registros de segmento. Una dirección de 16 bits se forma a partir de un número de segmento de 3 bits y de un desplazamiento de 13 bits. Esta disposición permite hasta 8 segmentos; cada segmento puede ser de hasta 8 K-bytes. Cada entrada en la tabla de segmentos tiene una dirección base, una longitud y un conjunto de bits de control de acceso que especifican acceso denegado, acceso de sólo lectura, o acceso de lectura/escritura al segmento.

El Burroughs B5500 permitía 32 segmentos de hasta 1024 palabras cada uno. Estas especificaciones definían un número de segmento de 5 bits y un desplazamiento de 10 bits. Sin embargo, la experiencia con este sistema mostró que los segmentos eran pocos y que el límite del tamaño del segmento era demasiado pequeño (las tablas mayores de 1K tenían que fragmentarse entre varios segmentos). Por ello, el GE 645 utilizado por Multics permite hasta 256 K-segmentos de hasta 64 K-palabras.

Con tantos segmentos no es factible mantener la tabla de segmentos en registros, de modo que tiene que mantenerse en memoria. Un registro de base de tabla de segmentos (STBR) apunta a la tabla de segmentos. Puesto que el número de segmentos utilizado por un programa puede variar ampliamente, también se utiliza un registro de longitud de tabla de segmentos (STLR). En el caso de una dirección lógica (s, d) verificamos primero que el número de segmento s es legal (s < STLR), Entonces, añadimos el número de segmento al STBR resultando la dirección en memoria de la entrada de la tabla de segmentos (STBR + s). Esta entrada se lee en la memoria y actuamos igual que antes: se verifica el desplazamiento frente a la longitud de segmento, y se calcula la dirección física de la palabra deseada como la suma de la base del segmento y el desplazamiento.

Igual que con la paginación, esta transformación requiere dos referencias a memoria por dirección lógica, el ordenador disminuirá su velocidad en un factor de 2, a menos que se haga algo para evitarlo. La solución normal consiste en utilizar un conjunto de registros asociativos para mantener las entradas utilizadas más recientemente en la tabla de segmentos. Un conjunto de registros asociativos relativamente pequeño (8 \ 16) puede reducir generalmente el retardo a los accesos a memoria hasta no más allá de un 10% o 15% más lentos que los accesos a memoria "mapeada".

Una ventaja importante de la segmentación es la asociación de la protección con los segmentos. Puesto que los segmentos representan una porción del programa definida semánticamente, es probable que todas las entradas en el segmento se utilicen de la misma manera. De ahí que tengamos algunos segmentos que son instrucciones, mientras que otros son datos. En una arquitectura moderna las instrucciones son no automodificables, de modo que los segmentos de instrucciones pueden definirse como de sólo lectura o sólo ejecución. El hardware verificará los bits de protección asociados a cada entrada en la tabla de segmentos para impedir accesos ilegales a memoria, tales como tentativas de escribir en un segmento de sólo lectura o de utilizar un segmento de sólo ejecución como datos. Situando una tabla en un segmento propio, el hardware verificará automáticamente que toda indexación en la tabla es legal, y no sobrepasa los límites de la misma. Así, muchos errores frecuentes en programas serán detectados por hardware antes de que puedan ocasionar un daño serio.

Otra ventaja de la segmentación está relacionada con la compartición de código y datos. Los segmentos se comparten cuando las entradas en las tablas de segmentos de dos procesos diferentes apuntan a las mismas posiciones físicas.

La compartición se produce a nivel de segmento. Por lo tanto, cualquier información puede compartirse definiéndole un segmento. Pueden compartirse varios segmentos, de modo que es posible compartir un programa compuesto de más de un segmento.

Por ejemplo, consideremos el uso de un editor de textos en un sistema de tiempo compartido. Un editor completo podría resultar bastante largo, y formado por muchos segmentos. Estos segmentos pueden compartirse entre todos los usuarios, limitando la memoria física necesaria para soportar las tareas de edición. En lugar de necesitar n copias del editor, precisamos solamente una. Aún necesitamos segmentos únicos e independientes para almacenar las variables locales de cada usuario. Estos segmentos, por supuesto, no deben ser compartidos.

También es posible compartir solo partes de programas. Por ejemplo, subrutinas de uso frecuente pueden compartirse entre muchos usuarios definiéndolas como segmentos de sólo lectura compartibles. Por ejemplo, dos programas Fortran pueden utilizar la misma subrutina Sqrt, pero sólo será precisa una copia física de la rutina Sqrt.

Aunque esta compartición parece ser bastante sencilla, tiene algunas sutilezas. Típicamente, los segmentos de código tienen referencias a sí mismos. Por ejemplo, un salto condicional tiene normalmente una dirección de transferencia. La dirección de transferencia es un nombre de segmento y un desplazamiento. El número de segmento de la dirección de transferencia será el del segmento de código. Si tratamos de compartir este segmento, todos los procesos que lo compartan tienen que definir el segmento de código compartido con el mismo número de segmento.

Por ejemplo, si queremos compartir la rutina Sqrt y un proceso quiere definirla como segmento 4 y otro lo hace como segmento 17, ¿cómo podría la subrutina Sqrt referenciarse a sí misma? Puesto que solamente hay una copia física de Sqrt, tiene que referenciarse a sí misma de la misma manera para ambos usuarios: tiene que tener un número de segmento único. A medida que crece el número de usuarios que comparten el segmento, también crece la dificultad de encontrar un número de segmento aceptable.

Los segmentos de datos de sólo lectura (sin punteros) pueden compartirse aún usando números de segmento diferentes; lo mismo puede hacerse con segmentos de código que no se referencian directamente a sí mismos, sino sólo indirectamente. Por ejemplo, la bifurcación condicional que especifica la dirección de desplazamiento a partir del valor actual del contador de programa o respecto a un registro que contiene el número de segmento actual, permite que el código no tenga que realizar una referencia al número de segmento actual.

El ordenador GE 645 utilizado con Multics tenía 4 registros que contenían los números de segmento del segmento actual, del segmento de pila, del segmento de enlace y de un segmento de datos. Los programas pocas veces hacen referencia directamente a un número de segmento, sino siempre indirectamente a través de estos cuatro registros de segmento. Esto permite que el código pueda compartirse libremente.

El sistema operativo tiene que encontrar y asignar memoria para todos los segmentos de un programa de usuario. Esta situación es similar a la paginación, excepto en el hecho de que los segmentos son de longitud variable; las páginas son todas del mismo tamaño. Por tanto, como en el caso de las particiones dinámicas, la asignación de memoria es un problema de asignación dinámica de almacenamiento, resuelto probablemente mediante un algoritmo del mejor o primer ajuste.

La segmentación puede ocasionar entonces fragmentación externa, cuando todos los bloques libres de memoria son demasiado pequeños para acomodar a un segmento. En este caso, el proceso puede simplemente verse obligado a esperar hasta que haya disponible más memoria (o al menos huecos más grandes), o puede utilizarse la compactación para crear huecos mayores. Puesto que la segmentación es por naturaleza un algoritmo de reubicación dinámica, podemos compactar la memoria siempre que queramos.

¿ En qué medida es mala la fragmentación externa en un esquema de segmentación ? La respuesta a estas preguntas depende principalmente del tamaño medio de segmento. En un extremo, se podría definir cada proceso como un segmento; este esquema es el de las particiones dinámicas. En el otro extremo, cada palabra podría situarse en su propio segmento y reubicarse por separado. Esta disposición elimina la fragmentación externa. Si el tamaño medio de segmento es pequeño, la fragmentación externa también será pequeña. (Por analogía, consideremos la colocación de las maletas en el maletero de un coche; parece que nunca encajan bien. Sin embargo, si se abren las maletas y se colocan en el maletero los objetos sueltos, todo encaja). Puesto que los segmentos individuales son más pequeños que el proceso en conjunto, es más probable que encajen en los bloques de memoria disponibles.