Definitionen, Typen und Funktionsprinzip • BUOM

8. Juli 2021

Angesichts des zunehmenden Einsatzes von Technologie in Unternehmen ist es für Geschäftsinhaber und Mitarbeiter wichtig zu verstehen, wie Computer funktionieren. Eines der wichtigen Merkmale eines Computers ist seine Fähigkeit, Anwendungen mithilfe des virtuellen Speichers zu speichern und auszuführen. Wenn Sie verstehen, wie virtueller Speicher funktioniert, können Sie Ihr Computersystem im Hinblick auf Effizienz und Sicherheit optimieren, sodass Sie Ihre Arbeit schützen und sicherstellen können, dass Ihr Computer Höchstleistungen erbringt. In diesem Artikel definieren wir, was virtueller Speicher ist, erklären seine Funktionsweise, überprüfen die Arten von virtuellem Speicher und stellen Beispiele bereit, die Ihnen helfen, seine Verwendung zu verstehen.

Was ist virtueller Speicher?

Virtueller Speicher ist eine Technik, mit der Computer die Speicherverwaltung optimieren, indem sie Daten zwischen verschiedenen Speichersystemen übertragen, z. B. Arbeitsspeicher (RAM) und Festplattenspeicher. Diese Art von Speichersystem bietet viele Vorteile, darunter:

• Befreit Anwendungen von der Konkurrenz um gemeinsam genutzten Speicherplatz

• Ermöglichen, dass Prozesse den Speicher zwischen Bibliotheken teilen (ein Codesatz, der die Grundlage für die Operationen eines Programms bildet)

• Verbessert die Sicherheit durch Isolierung und Segmentierung, wo ein Computer Informationen speichert.

• Erhöhen des verfügbaren Speichers durch Arbeiten außerhalb des physischen Speichers des Computers.

• Optimierung der CPU-Auslastung

• Führen Sie mehrere Anwendungen gleichzeitig aus

Der virtuelle Speicher ist eine integrierte Komponente der meisten modernen Desktop-Computer. Es ist in die Hardware der Zentraleinheit (CPU) des Computers integriert und stellt eine kostengünstigere Methode der Speicherverwaltung dar als die Erweiterung des physischen Speichersystems des Computers.

Einige spezialisierte Computer sind jedoch möglicherweise nicht auf den virtuellen Speicher angewiesen, da der virtuelle Speicher zu Inkonsistenzen bei der Verarbeitung des Computers führen kann. Fachleute in bestimmten Branchen verwenden diese Computer möglicherweise für bestimmte Aufgaben, die Stabilität und Vorhersehbarkeit erfordern, wie beispielsweise wissenschaftliche oder statistische Modellierung. Die meisten alltäglichen Privat- oder Geschäftscomputer benötigen dieses Maß an Konsistenz nicht und profitieren vom virtuellen Speicher weit über die Vorhersehbarkeit anderer Arten von Speichersystemen hinaus.

Wie funktioniert virtueller Speicher?

Der virtuelle Speicher nutzt zum Betrieb sowohl Software als auch Computerhardware. Es überträgt Prozesse zwischen dem RAM des Computers und der Festplatte, kopiert alle Dateien aus dem RAM des Computers, die derzeit nicht verwendet werden, und verschiebt sie auf die Festplatte. Durch das Verschieben ungenutzter Dateien auf Ihre Festplatte gibt Ihr Computer RAM-Speicherplatz für aktuelle Aufgaben frei, beispielsweise das Öffnen einer neuen Anwendung. Wenn der Computer seinen Arbeitsspeicher später für eine dringendere Aufgabe verwenden muss, kann er die Dateien erneut austauschen, um den verfügbaren Arbeitsspeicher optimal zu nutzen.

RAM ist eine begrenzte Ressource. Es ist in die RAM-Chips eingebaut, die Teil des Prozessors des Computers sind. Diese Chips können normalerweise zwischen 32 und 64 Megabyte Daten pro Computer speichern, aber diese Datenmenge reicht normalerweise nicht aus, um alle Programme, die Benutzer erwarten, gleichzeitig auszuführen. Die Installation weiterer RAM-Chips kann teuer sein. Daher ermöglicht der virtuelle Speicher dem Computer, Dateien nach Bedarf zwischen Systemen zu verschieben, um die Nutzung des verfügbaren RAM zu optimieren.

Arten von virtuellem Speicher

Zwei Möglichkeiten, wie Computer mit virtuellem Speicher umgehen, sind Paging und Segmentierung. Hier sind die Unterschiede zwischen diesen Arten von virtuellem Speicher:

Paging

Bei dieser Art von virtuellem Speicher wird der Speicher in Abschnitte unterteilt, die als Auslagerungsdateien bezeichnet werden. Wenn ein Computer sein RAM-Limit erreicht, überträgt er alle derzeit nicht verwendeten Seiten auf den Teil seiner Festplatte, der für den virtuellen Speicher verwendet wird. Der Computer führt diesen Vorgang mithilfe der Auslagerungsdatei durch, der Speicherplatz auf der Festplatte zugewiesen wird, um den virtuellen Speicher des RAM des Computers zu erweitern. Durch das Verschieben ungenutzter Dateien auf die Festplatte gibt der Computer RAM-Speicherplatz für andere Speicheraufgaben frei und stellt sicher, dass ihm nie der tatsächliche Speicher ausgeht.

Als Teil dieses Prozesses verwendet der Computer Seitentabellen, die virtuelle Adressen in physische Adressen übersetzen, die die Speicherverwaltungseinheit (MMU) des Computers zur Verarbeitung von Anweisungen verwendet. Die MMU kommuniziert zwischen dem Betriebssystem (OS) eines Computers und seinen Seitentabellen. Wenn ein Benutzer eine Aufgabe ausführt, durchsucht das Betriebssystem seinen RAM nach Prozessen, um die Aufgabe abzuschließen. Wenn keine Prozesse zum Ausführen einer Aufgabe im RAM gefunden werden können, fordert die MMU das Betriebssystem auf, die erforderlichen Seiten in den RAM zu verschieben, und verwendet eine Seitentabelle, um den neuen Speicherort für die Seiten zu markieren.

Segmentierung

Segmentierung ist eine weitere Technik zur Verwaltung des virtuellen Speichers. Das Segmentierungssystem unterteilt den virtuellen Speicher in Segmente unterschiedlicher Länge und verschiebt alle nicht verwendeten Segmente vom virtuellen Speicher des Computers auf die Festplatte. Segmenttabellen verfolgen wie Seitentabellen, ob der Computer ein Segment im Speicher oder an einer physischen Adresse speichert.

Die Segmentierung unterscheidet sich vom Paging dadurch, dass sie den Speicher in Abschnitte unterschiedlicher Länge unterteilt, während beim Paging der Speicher in gleich große Abschnitte unterteilt wird. Beim Paging bestimmt die Hardware die Partitionsgröße, der Benutzer kann jedoch die Segmentlänge in einem Segmentierungssystem bestimmen. Obwohl die Segmentierung oft langsamer ist als das Paging, gibt sie dem Benutzer mehr Kontrolle über die Speicherzuweisung und kann die gemeinsame Nutzung von Daten zwischen Prozessen erleichtern. Viele gelegentliche Computerbenutzer bevorzugen jedoch möglicherweise ein Swap-System, da es die Speicherfreigabe automatisch übernimmt.

Beispiel für einen virtuellen Speicher

Ein Geschäftsinhaber kann das virtuelle Speichersystem seines Computers nutzen und gleichzeitig mehrere Anwendungen ausführen. Beispielsweise könnte ein Benutzer versuchen, seine E-Mails in ein Browserfenster zu laden, während er gleichzeitig eine Textverarbeitungssoftware, eine Schichtplanungssoftware und ein Content-Management-System ausführt. Da der Computer mehrere Programme gleichzeitig ausführen muss, kann er seine Speichernutzung anpassen, um die Möglichkeiten des Benutzers zu optimieren, die E-Mail-Anwendung zu öffnen, während andere Programme weiterhin ausgeführt werden.

Um die E-Mail eines Benutzers zu öffnen, kann das Betriebssystem des Computers seine MMU veranlassen, eine Seite oder Segmenttabelle nachzuschlagen, die eine virtuelle oder physische Adresse für einen Prozess enthält, der die E-Mail-Anwendung öffnen kann. Sobald es erkannt wurde, kann das Betriebssystem die Anwendung entweder in den RAM des Computers verschieben, um die Anwendung zu öffnen, oder auf die Anwendung zugreifen, wenn sie bereits im RAM gespeichert ist. Wenn Ihr RAM fast die Grenze erreicht, kann der Computer eine andere Datei aus dem RAM an einen anderen Speicherort verschieben, um die RAM-Nutzung zu reduzieren.

Grenzen des virtuellen Speichers

Obwohl der virtuelle Speicher viele Vorteile hat, gibt es hier einige seiner Einschränkungen:

• Der virtuelle Speicher ist oft langsamer als der physische Speicher, daher geben die meisten Computer nach Möglichkeit dem physischen Speicher Vorrang.

• Zum Verschieben von Daten zwischen dem virtuellen und dem physischen Speicher des Computers ist zusätzliche Hardwareunterstützung erforderlich.

• Die Speichermenge, die der virtuelle Speicher bereitstellen kann, hängt von der Größe des Sekundärspeichers auf dem Computer ab.

• Wenn der Computer über wenig RAM verfügt, kann der virtuelle Speicher einen „Schub“ verursachen, bei dem der Computer ständig Daten zwischen dem virtuellen und dem physischen Speicher übertragen muss, was zu erheblichen Leistungsverzögerungen führt.

• Bei Verwendung des virtuellen Speichers kann es länger dauern, Anwendungen zu laden oder zwischen Anwendungen zu wechseln.

Virtueller Speicher vs. physischer Speicher

Die beiden wichtigsten Unterschiede zwischen virtuellem und physischem Speicher sind Geschwindigkeit und Kosten. Computer, die physischen Speicher verwenden, laufen tendenziell schneller als Computer, die virtuellen Speicher verwenden. Allerdings ist die Vergrößerung des physischen Speichers Ihres Computers teurer als die Implementierung eines virtuellen Speichersystems. Aus diesen Gründen verwenden die meisten Computer ihr physisches Speichersystem (RAM), um die Verarbeitungsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, bevor sie das virtuelle Speichersystem verwenden. Ein Computer nutzt seinen virtuellen Speicher nur, wenn ihm der RAM zur Speicherung ausgeht.

Nutzer haben jedoch auch die Möglichkeit, ihren Arbeitsspeicher durch den Einbau zusätzlicher RAM-Chips zu erweitern. Durch die Installation weiterer RAM-Chips können Computerverzögerungen vermieden werden, die durch häufige Speicherwechsel verursacht werden. Die Größe des Computer-RAM hängt davon ab, wie viel vom Benutzer oder vom Hersteller installiert wird. Im Vergleich dazu bestimmt die Größe der Festplatte Ihres Computers die Größe des virtuellen Speichers. Bei der Auswahl eines Computers bevorzugen Sie möglicherweise einen mit mehr RAM, wenn Sie viele Anwendungen gleichzeitig ausführen. Wenn Sie die meiste Zeit nur mit einer oder zwei Computeranwendungen arbeiten, benötigen Sie möglicherweise nicht so viel RAM.