НЕ ПРОПУСТИТЬ ИНТЕРЕСНОЕ

Свежие обсуждения

Sorry. No data so far.

Секреты большой памяти в 32-битных операционных системах

Здравствуйте уважаемые читатели блога www.ithabits.ru. Должен сразу признаться, что не смотря на то, что я много лет профессионально занимаюсь различными аспектами ИТ, до недавнего времени такой вопрос, как максимальный размер оперативной памяти в клиентских компьютерах с 32-разрядными операционными системами, меня совершенно не интересовал.

Впрочем, наверное, как и подавляющее большинство других ИТ-специалистов и рядовых пользователей компьютеров. В основном приходилось решать обычные повседневные задачи, такие как подбор типа памяти для той или иной материнской платы, выбор размера и количества планок, диагностика отказов и многие другие такого же рода.

Оно и понятно. В серверных системах максимальный размер оперативной памяти всегда превышал наши реальные потребности и финансовые возможности, а в обычных компьютерах до поры до времени никакой проблемы, как бы, и не было.

Появилась она, или вернее будет сказать, проявилась, после того, как реальные размеры установленной в клиентских компьютерах оперативной памяти перешагнули рубеж в примерно 3 гигабайта. В контексте данной темы равный этому или больший объем памяти мы и будем называть большим.

Впервые я реально столкнулся с проблемой большой памяти когда ко мне в руки попал ноутбук с 4 ГБ оперативки и Windows 7 Professional x86. Захотелось выяснить что к чему. А именно, — куда “исчезла” часть установленной памяти и нельзя ли ее как-нибудь вернуть? Ведь объем доступной физической памяти самым непосредственным образом влияет на быстродействие системы.

Тема оказалась удивительно многогранной и чрезвычайно интересной, даже при том, что новой ее точно не назовешь — самая ранняя из публикаций, использованных мной для поиска ответов на поставленные вопросы, датируется 2006-м годом.

Практически все найденные мной по этой теме публикации отличались либо сверхлаконичностью до простой констатации фактов, либо были целиком посвящены какой-то одной стороне проблемы. Требовались обобщение и систематизация с «раскладыванием по полочкам», что я и постарался сделать. В результате получился цикл из пяти взаимосвязанных статей.

Сегодняшняя статья является первой, и ее название «Секреты большой памяти в 32-битных операционных системах»  можно смело отнести ко всему циклу. Я очень советую ознакомиться с этим циклом не только тем, кто работает с 32-разрядными операционными системами, но и тем, кто уже перешел на 64-разрядные ОС. Поверьте, вы значительно лучше начнете понимать свой компьютер.

На первый взгляд в силу того, что  математическим пределом для 32-разрядной адресной шины является 4 ГБ и именно такой максимальный размер официально заявлен Microsoft, как поддерживаемый в клиентских версиях Windows x86, названный выше рубеж в ~ 3 ГБ может показаться странным. Однако, как вскоре станет понятно, ничего странного в этом нет, а Microsoft слегка вводит народ в заблуждение.

Максимальный размер оперативной памяти, который поддерживают 32-разрядные системы

Сегодня мы разберемся с вопросом: могут ли 32-разрядные системы работать с физической памятью больше 4 ГБ в принципе и если да, то каким образом.

Главное, что надо сделать в самом начале, это четко разделить между собой три понятия:

  1. Свойства процессора;
  2. 32-битная операционная система;
  3. 32-разрядное приложение (программа)

Последние два очень часто смешивают в одну кучу, чего в данном случае, делать как раз не следует. Начнем по порядку и издалека – совершим короткий исторический экскурс.

Процессор

Обратимся к таблице основных характеристик процессоров (чуть было не написал х86, что было бы ошибкой – эта система команд впервые появилась у процессора 8086) >

cpu-71-03

Эта таблица нужна нам для того, чтобы наглядно показать тот факт, что разрядность адресной шины отнюдь не всегда совпадала с разрядностью архитектуры процессора.

Для начала обратим внимание на 16-разрядные процессоры. Если бы они имели 16-разрядную адресную шину, то максимальный размер доступной им физической памяти составлял бы всего 64 КБ (2 в 16-й степени равно 65536). Однако уже Intel 8086 мог работать с памятью до 1 МБ, а 80286 уже до 16 МБ благодаря 20 и, соответственно, 24 битам шины адреса.

Эпоха процессоров IA-32 и 4 ГБ ОЗУ началась с Intel 80386 в 1985 году. На протяжении последующих 10 лет процессоры архитектуры IA-32 не имели физической возможности работать с памятью более 4 ГБ.

pentium-proВ 1995 году был представлен процессор Intel Pentium Pro. Наряду с совершенно новой архитектурой ядра этот процессор получил 36-битную адресную шину благодаря чему, как не трудно подсчитать, максимальный размер доступной ему физической памяти увеличился до 64 ГБ (в современных 64-разрядных процессорах используются 37 разрядов, что увеличивает предел адресуемой физической памяти до 128 ГБ).

Кроме того, в процессоре был реализован «хитрый» механизм управления памятью, который отображал физическую память, расположенную за пределами 4 ГБ, в 32-разрядную виртуальную память в диапазоне 0 — 4 ГБ «обманывая» таким образом 32-разрядные приложения. Такой режим управления памятью процессором х86 получил название PAE (Physical Address Extension — расширение физических адресов).

Pentium Pro позиционировался в то время как процессор для серверов и рабочих станций. Действительно, представить себе в 1995 году настольный компьютер с объемом оперативной памяти не то что больше, а хотя бы отдаленно приближающимся к 4 ГБ, было не просто. Память измерялась тогда мегабайтами. И в наше то время 4 ГБ памяти в настольном компьютере или ноутбуке нужны далеко не всем. Кроме того, этот процессор был очень дорогим и имел проблемы с быстродействием при выполнении популярных в то время 16-разрядных приложений.

Можно сказать, что такое решение было новым для 32-разрядных процессоров, однако, в силу того, что  ранее подобная практика повсеместно применялась в 16-разрядных процессорах, революционной ее назвать сложно.

Коль уж заговорили о процессорах, то отметим, что первый 64-разрядный процессор х86 появился не у Intel, а у ее главного конкурента – компании AMD в 2003 году. К этому моменту у Intel уже был, выпущенный в 2001 году, 64-разрядный процессор Itanium совершенно новой архитектуры IA-64, не совместимой с х86. В том числе по причине последнего, процессор не получил распространения на настольных компьютерах. В 2003 году специально для Itanium была выпущена единственная версия Windows XP 64-Bit Edition Version 2003 (Itanium 2). Проект был прекращен в 2005 году за ненадобностью.

Не все, но подавляющее большинство современных процессоров х86 для настольных компьютеров являются  64-разрядными и имеют поддержку PAE. Благодаря этому они не только могут работать с памятью более 4 ГБ, но и предоставляют такую возможность 32-битным операционным системам.

Проще всего определить поддержку режима PAE процессором оказалось в Linux. В Ubuntu, или в любом из ее многочисленных клонов, можно набрать в терминале:

grep —color=always -i PAE /proc/cpuinfo

В результате должно получиться что-то вроде этого >

mint-pae-check

32-разрядные операционные системы

Первой в ряду 32-разрядных ОС Microsoft стала  Windows NT 3.1, выпущенная в 1993 году. Она предназначалась для корпоративного сектора, то есть для серверов и рабочих станций. Двумя годами позже в 1995 году появилась Windows 95 — операционная система для настольных компьютеров и ноутбуков. Между двумя этими событиями в 1994 году была представлена версия 1.0 ядра Linux. 32-разрядная архитектура оказалась столь удачной и «достаточной», что она повсеместно используется до сих пор на протяжении вот уже 2-х десятилетий. Последней 32-битной серверной операционной системой Microsoft  стала Windows Server 2008. Однако, новейшая  Windows 8 по-прежнему предлагается в двух вариантах. Споры о том, что лучше – 32 или 64 не прекращаются и сегодня.

Для реализации дополнительных возможностей режима расширения физических адресов, помимо наличия соответствующего процессора и материнской платы с адекватным чипсетом и нужным количеством разведенных адресных линий, необходима поддержка PAE непосредственно самой операционной системой.

Если у Вас 32-разрядный Linux, то проблем с использованием памяти объемом более 4 ГБ, скорее всего, не возникнет. В операционных системах Linux поддержка PAE появилась в 1999 году в ядре 2.3.23 и используется с тех пор безо всяких ограничений.

Можно отметить, что, например, популярный Linux Mint вообще поставляется сегодня исключительно с ядром PAE и требует его обязательной поддержки процессором. Кстати, как в Windows 8. Не все этому обстоятельству рады, так как очевидно все еще сохранились процессоры без поддержки PAE.

Посмотрим таблицу максимально поддерживаемых размеров физической памяти, взятую из статьи 2005 года в msdn.microsoft.com, для Windows 2000, Windows XP и Windows Server 2003 >

windows-2000-2003-pae

Как видно из этой таблицы, режим PAE поддерживается во всех версиях ОС Microsoft начиная с Windows 2000. Вариации размеров максимальной памяти в различных версиях серверных операционных систем объясняются исключительно их позиционированием на рынке компанией Microsoft. Наверное, так проще объяснить их отличающуюся друг от друга стоимость. Для нас особый интерес представляют строки таблицы, которые прямо говорит о том, что во всех версиях Windows XP общее адресное пространство физической памяти ограничено на уровне 4 ГБ. Именно искусственно ограничено в ядре, так как поддержка PAE есть. С чем связано такое ограничение, причем не только в ХР, но и во всех последующих настольных 32-разрядных версиях Windows, разберемся во второй части.

Режим PAE может быть включен, может быть выключен. Начиная с Windows XP SP2 PAE включается принудительно для обеспечения работы технологии безопасности DEP (Data Execution Prevention — предотвращение выполнения данных).

DEP – это технология, которая позволяет защитить операционную систему от большого класса вредоносного кода, который изначально внедряется в область памяти, отведенную под данные и маскируется под данные, а затем пытается из нее запуститься. Технология DEP такое выполнение вредоносного кода блокирует. Реализуется технология как программно, так и аппаратно. В последнем случае процессор помечает отдельные страницы памяти как не содержащие исполняемого кода измененным старшим битом в адресной таблице PTE (Page Table Entry) виртуальной памяти, а затем перехватывает и предотвращает запуск исполняемого кода с этих страниц.

Переходим к нашему последнему сегодняшнему пункту.

32-разрядные приложения

Благодаря диспетчеру памяти процессора, осуществляющему ее распределение в режиме PAE независимо от работы приложений, и поддержке такого режима работы операционной системой, 32-разрядные приложения отделены от физической памяти и не имеют сведений о ее реальном размере. Каждому приложению, так как для них сохраняется 32-битное адресное пространство, по-прежнему доступны только 4 ГБ виртуальной памяти. В Windows под нужды самого приложения из этих 4 ГБ отдается ровно половина, в Linuх — 3 ГБ. В Windows существует возможность принудительно отдать приложению 3 ГБ, но, в большинстве случаев, это является нецелесообразным.

Необходимо иметь в виду, что включение режима PAE отнюдь не эквивалентно переходу на 64-битную систему, в которой каждому приложению выделяется несравнимо больший объем памяти. Если за счет PAE попытаться непосредственно удовлетворить непомерный аппетит некого современного приложения, например, продвинутой компьютерной игры, то ничего хорошего не получится. А вот если требуется одновременно запустить несколько требовательных к памяти приложений, то польза от PAE будет прямая. В первую очередь это касается серверов.

Например, требуется одновременная работа двух виртуальных машин, каждой из которых отведено по 2 ГБ памяти. Что будет без PAE понятно — вторая виртуальная машина, скорее всего, просто не запустится, ну или в системе начнется такой интенсивный обмен со swap-файлом, что процесс перейдет в категорию «пошаговая стратегия» (забегая в перед скажу, что в реальном эксперименте с виртуальными машинами, о котором можно прочитать в заключительной части, swap не помог). С включенным PAE, при условии достаточного объема физического ОЗУ хостовой машины, обе виртуальные машины будут благополучно работать. На самом деле все несколько сложнее, но, в общих чертах, так.

К недостаткам PAE обычно относят возможное снижение производительности системы из-за уменьшения скорости доступа к памяти, связанной с дополнительными операциями на переключение отображаемых страниц памяти, и плохую работу некоторых драйверов устройств в 36-битном адресном пространстве.

На этом пока остановимся и подведем итоги:

  • Практически все современные 32-битные операционные системы умеют работать с оперативной памятью размером более 4 ГБ. Такая возможность появилась в 1995 году благодаря внедрению в процессоры технологии PAE  (Physical Address Extension — расширение физических адресов);
  • Не смотря на то, что поддержка PAE позволяет задействовать физическую память объемом до 64 (128) ГБ, работа ядра операционной системы в таком режиме совершенно не эквивалентна переходу на 64-битную ОС. Приложения продолжают выполняться в обычном для них 32-разрядном адресном пространстве, но при этом, если установленная физическая память превышает 4 ГБ, самих приложений может быть одновременно запущено больше;
  • В режиме PAE может наблюдаться снижение скорости доступа к памяти и проблемы с драйверами устройств;
  • В операционных системах Microsoft Windows верхний предел доступной физической памяти ограничен программно на уровне ядра ОС.

Последний пункт наших сегодняшних выводов мы подробно разберем в следующей части.

Комментарии: 10. Присоединяйтесь к обсуждению!

  1. PetrV:

    Александр! Большое спасибо за отличную статью. Очень интересно, а главное, она дает четкие ответы на многие вопросы. Давно хотелось разобраться, что происходит с оперативкой в компьютере, наконец прояснилось. Уже подписался на обновления блога и буду читать все следующие статьи.

    • Спасибо за хороший отзыв. Я рад, что статья понравилась. А вообще тема из категории: «Это должен знать каждый».

  2. Лев:

    Спасибо, Александр. Информация достаточно глубоко раскопана, разложена грамотно и по полочкам. Очень понравился материал и его подача. Верно подмечена категория статьи.

  3. Alega:

    Да хотелось бы похвалить автора, статья действительно толковая.
    Сложно правда было найти, столько шлака пришлось перелопатить в инете(((
    Александр, подскажите, правильно ли я понял, что если я на пропаченной винде запускаю какой-либо процесс, ну допустим 3D MAX, то под него будет отведен объем не более 4 ГБ, даже если у меня их 16?
    Т.е. я могу запустить 4 Макса и каждый из них отъест по 4 ГБ памяти, но так что бы один занял все 16 ГБ не получится.
    Винда 7 (32).
    Заранее спасибо.

    • Спасибо за отзыв. Да, Вы все поняли совершенно правильно. Каждый 32-разрядный процесс будет оперировать с памятью не более 4-х Гб. На самом деле непосредственно приложению будет доступна лишь половина от 4 Гб. Другая половина будет оставлена под системные нужды. Для того, чтобы немного изменить это соотношение в новую секцию загрузки в BCD добавлена строка «increaseuserva 2500».

    • Alega:

      Эххх, жаль.
      Получается, что от перезалива винды никуда не деться, что бы по полной нагрузить оперативку(((
      Спасибо за оперативный ответ.

    • Не расстраивайтесь. Как говорится, что бы не делалось, оно все к лучшему. Если памяти много и есть ресурсоемкое приложение, то х64 по любому и лучше и правильнее. Кроме того из-за «кривых» драйверов, после снятия 4 Гб ограничения в 32-разрядной Windows, к сожалению, до сих пор нет никакой гарантии ее стабильной работы.

  4. Alega:

    Да , ваша правда.
    Но, как представлю сколько приложений надо переустановить, так хоть селись у компа с палаткой.

    • Согласен, возни, конечно, много. Однако, может быть есть возможность не устанавливать абсолютно все приложения одномоментно, а по мере потребности? На домашнем настольном компьютере я обычно устанавливаю новую систему на отдельный диск и какое-то время «новая» и «старая» существуют параллельно. На работе я также запрещал своим сотрудникам техподдержки переустанавливать системы поверх, то есть на диск со «старой» системой. Более того, этот диск некоторое время (от месяца до трех) хранился в неприкосновенном состоянии. Такой подход гарантировал полное отсутствие потерь данных любого толка.

    • Alega:

      Хммм, интересная мысль.
      Я как раз хотел новый винт прикупить, вот на него и вкрячу новую винду.
      Спасибо, еще раз.

Написать комментарий

Subscribe without commenting