A memória virtual é uma técnica na qual o disco é usado para “aumentar” o tamanho da memória principal (RAM). Essa técnica permite um compartilhamento mais seguro e eficiente da memória entre múltiplos programas sendo executados “ao mesmo” tempo. Vale destacar que a memória virtual não é implementada apenas em nível de hardware, mas também de SO, pois é necessário ter conhecimento sobre o sistema de arquivos do disco. Um exemplo de memória virtual é a partição Swap em sistemas Linux.
Paginação
A ideia básica da memória virtual é dividir o espaço de endereçamento de cada processo em blocos chamados de páginas. Cada página possui sua sequência de endereços mapeada na memória física. A ideia é que nem todas as páginas precisam estar carregadas na memória ao mesmo tempo, elas podem ser trazidas do disco sob demanda. O tamanho do espaço de endereços de um processo é múltiplo do tamanho de uma página.
As páginas virtuais de memória são mapeadas para endereços físicos através dos quadros de página. As transferências do disco para a memória principal são feitas com páginas inteiras, ou seja, sempre que seja necessário referenciar um endereço que não está mapeado na memória principal, a página virtual inteira que contém aquele endereço é carregada para a memória principal (geralmente substituindo outra página que não foi utilizada recentemente).
Quando um programa referencia um endereço lógico que não está mapeado na memória principal, ocorre uma interrupção chamada de page fault (falta de página). Essa interrupção desvia o controle para o sistema operacional, que então escolhe um quadro de página da memória principal pouco usado e salva seu conteúdo em disco para então sobrescrevê-lo na memória com o conteúdo trazido do disco (a página virtual que contém o endereço referenciado pela instrução que gerou a interrupção).
Tabela de páginas
A “tradução” dos endereços virtuais em endereços físicos é feita por um módulo da CPU chamado Memory Management Unit (MMU), que controla tanto a memória virtual quando a memória cache. Para efetivamente traduzir os endereços, utiliza-se uma tabela de páginas, que associa os endereços virtuais aos endereços físicos. O endereço virtual é dividido em um número de página virtual nos bits mais significativos e um deslocamento (que indica o endereço relativo ao início da página virtual) nos bits menos significativos.
Cada entrada em uma tabela de páginas apresenta algumas informações importantes. O campo mais importante é o número do quadro de página, pois ele identifica a página virtual à qual aquela entrada se refere. Outro campo importante é o bit que indica se a entrada é válida, isto é, se ela está carregada na memória principal. Se o valor desse bit for 0, então a página virtual à qual a entrada se refere não está atualmente carregada na memória.
Os bits de proteção indicam as permissões de acesso àquela página virtual, geralmente indicando escrita e leitura. É armazenado também um bit que indica se a página foi alterada na memória principal, ele é útil para decidir se é necessário atualizar a página armazenada no disco. Outro bit importante é aquele que indica se a página está sendo referenciada, seu valor é usado principalmente pelos algoritmos de substituição de página, pois é mais vantajoso substituir páginas que não estão sendo utilizadas na memória principal.
TLB (memória associativa)
Veja que nesse processo de tradução de endereços virtuais as páginas sempre são acessadas através da memória principal, e isso pode comprometer o desempenho geral do sistema. Afim de acelerar o processo de paginação, é comum implementar em nível de hardware um mecanismo para mapear endereços virtuais para endereços físicos, eliminando a necessidade de referenciar as tabelas de página na memória principal para então mapear seu endereço. Esse mecanismo é chamado de TLB (Translation Lookaside Buffer), ou memória associativa. Geralmente a TLB é implementado dentro da MMU, e consiste em um pequeno número de entradas que contém as informações sobre uma página virtual.
Quando um endereço virtual chega na MMU, primeiro é verificado se a página que correspondente já está na TLB. Caso a página esteja presente, a tradução de endereço é feita diretamente, sem necessidade de consultar a memória principal. Caso a página não esteja presente na TLB, ela é trazida da tabela de páginas da memória e então armazenada na TLB para acelerar as consultas futuras.