Gerência de Memória Fundamentos Swapping Alocação Contígua de memória

Apresentação em tema: "Gerência de Memória Fundamentos Swapping Alocação Contígua de memória"— Transcrição da apresentação:

1 Gerência de Memória Fundamentos Swapping Alocação Contígua de memória
Paginação Segmentação Segmentação com Paginação

2 Fundamentos O programa deve ser levado à memória e colocado em um processo para ser utilizado; Fila de Entrada (Input queue) – Coleção de processos no disco que está esperando para ser levados à memória para execução; Um programa de usuário passa por várias etapas antes de ser executado

3 Associação de Instruções e dados para Memória
Associação de instruções e dados para endereços de memória podem Acontecer em três diferentes estágios Tempo de Compilação: Se a Posição de memória for conhecida em tempo de compilação, um código absoluto pode ser gerado; O código deverá ser recompilado se a posição de início mudar; Tempo de Carga: Deve ser gerado um código relocável, se a localização na memória não for conhecida em tempo de compilação; Tempo de Execução: Se o processo puder ser movido durante a execução de um segmento de memória para outro, a associação deverá ser retardada até o tempo de execução. Hardware precisa ter suporte a mapeamento de endereços (registradores base e limite).

4 Etapas de Processamento de um Programa de Usuário

5 Espaço de Endereçamento Lógico vs. Físico
O conceito de um espaço de endereçamento lógico que é limitado a um espaço de endereçamento físico separado é central à um gerenciamento de memória adequado Endereço Lógico – gerado pela CPU, também conhecido como endereço virtual; Endereço Físico – endereço visto pela unidade de memória (registrador de endereço de memória) - MMU Os métodos de resolução de endereços Lógicos e Físicos geram endereços iguais em tempo de carga e de compilação, Endereços lógicos (virtuais) e físicos são diferentes quando se usa o esquema de resolução de endereços em tempo de execução

6 Unidade de Gerência de Memória (MMU)
Dispositivo de hardware que mapeia endereços virtuais para endereços físicos; No esquema do MMU, o valor do registrador de relocação (base) é adicionado a todo endereço gerado por um processo de usuário no momento em que ele é enviado para a memória; O programa de usuário negocia com endereços lógicos, nunca vê o endereço físico real;

7 Relocação dinâmica usando um registrador de relocação

8 Carga Dinâmica Rotina não é carregada até que seja chamada
Melhor utilização do espaço de memória, rotinas não utilizadas nunca são carregadas; Útil quando há necessidade de grande quantidade de código para lidar com casos que ocorrem com pouca freqüência; Carga Dinâmica não requer suporte especial por parte do sistema operacional, é implementado através de projeto de programa;

9 Ligação Dinâmica Ligação é adiada até o tempo de execução (ver 4º slide) Pequeno trecho de código, stub, utilizado para localizar a rotina de biblioteca apropriada residente na memória (ou não); O Stub substituí a si mesmo pelo endereço da rotina, e executa a rotina Sistema Operacional precisam checar se a rotina está edereçada na memória; Ligação dinâmica é particularmente útil para bibliotecas (correções de bugs)

10 Overlays Manter em memória apenas as instruções e dados que são necessários em determinado momento; Necessário quando um processo é maior do que o montante de memória alocado a ele; Implementado pelo usuário, não necessita de suporte especial do Sistema Operacional, programar e projetar as estruturas de overlay é complexo.

11 Overlays para um montador de dois passos

12 Swapping Um processo pode ser removido temporariamente da memória para um armazenamento auxiliar e, em seguida, retornado à memória para continuar sua execução; Backing store – Disco grande e rápido o suficiente para armazenar uma cópia de todas as imagens de memória de todos os usuários, deve fornecer acesso direto a essas imagens de memória; Roll out, roll in – Uma variante de swapping é utilizada para algoritmos de escalonamento baseado em prioridade, processos de baixa prioridade são descarregados e é carregado e executado um processo de prioridade mais alta (swapped); A Maior parte de tempo de swap é o tempo de transferência; O tempo total de transferência é proporcional à quantidade de memória trocada; Muitas diferentes versões de swapping são encontradas em muitos sistemas (Unix, Linux and Windows);

13 Visão Esquemática de Swapping
Problema de I/O Manter o job em memória enquanto ele estiver envolvido em I/O; Executar I/O somente em buffers de SO

14 Alocação Contígua de Memória
Memória principal geralmente dividida em duas partições: Sistema Operacional residente, normalmente carregado na memória baixa (vetor de interrupção); Processos de usuário ficam na memória alta; Alocação com partição simples Esquema do registrador de relocação utilizado para proteger processos de usuário de outros, e de mudanças do código e dados do Sistema Operacional; Registrador de relocação contém o valor do menor endereço físico, registrador limite contém a faixa de endereços lógicos, cada endereço lógico deve ser menor que o valor do registrador limite;

15 Suporte de Hardware para os registradores de relocação e limite

16 Alocação Contígua (Cont.)
Alocação com Múltiplas Partições Hole (Buraco) – Bloco de memória disponível, blocos de vários tamanhos disponíveis na memória; Quando um processo chega, é alocado memória de um hole grande o suficiente para acomodá-lo; Sistema operacional mantém informações sobre: A) partições alocadas b) Partições livres (hole) OS OS OS OS process 5 process 5 process 5 process 5 process 9 process 9 process 8 process 10 process 2 process 2 process 2 process 2

17 Problema de alocação de Memória Dinâmica
Como atender a um pedido de tamanho n de uma lista de blocos de memória livres: First-fit: Aloca o primeiro bloco de memória grande o suficiente Best-fit: Aloca o menor bloco grande o suficiente; deve procurar em toda lista, a menos que a lista esteja ordenada por tamanho. Produz o menor bloco restante. Worst-fit: Aloca o maior bloco; Deve procurar também em toda a lista. Gera o maior bloco restante. First-fit e Best-fit são melhores em termos de redução de tempo e utilização da memória

18 Fragmentação Fragmentação Externa – Existe espaço total na memória para satisfazer uma requisição, mas não é contíguo; Fragmentação Interna – A memória alocada pode ser um pouco maior do que a memória necessária; esta diferença de tamanho é memória interna à partição, que não é utilizada; Reduzir fragmentação externa através da compactação Trocar de posição o conteúdo da memória, para reunir toda a memória livre em um grande bloco; Compactação só será possível se a relocação for dinâmica, e for feita em tempo de execução;

19 Paginação Espaço de endereçamento físico de um processo pode ser não contíguo; o processo é alocado na memória física, sempre que esta está disponível; Divide a memória física em blocos de tamanho fixo, chamados frames-quadros (tamanho é potência de 2, variando entre 512 bytes e 16 megabytes); Divide a memória lógica em blocos de tamanho igual, chamados pages-páginas; Mantém uma lista de todos os frames livres; Para rodar um programa de n pages, precisa encontrar n frames livres e carregar o programa; Mantém uma tabela de pages para traduzir o endereço lógico para físico; Fragmentação interna

20 Esquema de Tradução de Endereços
Endereços gerados pela CPU são divididos em: Número de página (p) – Usado como um índice em uma tabela de páginas, a qual contém o endereço base de cada página na memória física Deslocamento de página (offset) (d) – Combinado com o endereço de página para definir o endereço de memória física que é enviado para a unidade de memória

21 Arquitetura da Tradução de Endereços

22 Exemplo de Paginação

23 Exemplo de Paginação

24 Frames Livres (a) Antes da alocação (b) Depois da Alocação

25 Implementação da Tabela de Páginas
A tabela de página é mantida na memória principal; Registrador Base da Tabela de Página (PTBR) aponta para a tabela de página; Registrador de Tamanho da Tabela de Página (PTLR), indica o tamanho da tabela de página Neste esquema todo acesso a dados/instruções requerem dois acessos à memória. Um para a tabela de página e outro para o dado/instrução; O problema dos dois acessos à memória pode ser resolvido através do uso de um cache de hardware especial, pequeno e de busca rápida, chamado Registradores Associativos ou Translation look-aside buffers (TLBs)

26 Registradores Associativos
Registradores Associativos – busca paralela Tradução de Endereço (A´, A´´) Se A´ está nos Registradores Associativos, pegue o endereço do frame Se não pegue o endereço do frame da tabela de página na memória Page # Frame #

27 Hardware de Paginação com TLB

28 Tempo Efetivo de Acesso
Associative Lookup =  unidades de tempo Assumindo ciclo de memória de 1 microssengundo Taxa de Acerto (Hit Ratio) – porcentagem de vezes que o nº da página é encontrado nos registradores associativos; está diretamente associada ao nº de registradores associativos; Taxa de Acerto =  Tempo Efetivo de Acesso (EAT) EAT = (1 + )  + (2 + )(1 – ) = 2 +  – 

29 Proteção de Memória Proteção de memória é implementado pela associação de um bit de proteção com cada quadro; Um bit Válido-Inválido é associado a cada entrada na tabela de páginas: “válido”, indica que a página associada está no espaço de endereçamento lógico do processo, portanto, é uma página legal (válida); “Inválido”, indica que página associada não está no espaço de endereçamento lógico do processo.

30 Bit válido (v) ou inválido (i) em uma Tabela de Páginas

31 Estrutura de Tabelas de Páginas
Paginação Hierárquica; Tabela de Página Compartilhada; Tabela de Página Invertida.

32 Tabelas de Páginas Hierárquicas
Quebrar o espaço de endereçamento lógico em múltiplas tabelas de páginas; Uma técnica simples é uma tabela de página de dois níveis.

33 Exemplo de paginação de dois níveis
Um espaço de endereçamento lógico (de 32 bits, com página do tamanho de 4K) é dividido em: Um nº de página consistindo em 20 bits Um deslocamento de pagina consistindo em 12 bits Paginamos a tabela de página , o nº da página é dividido em: Nº de página de 10 bits Um deslocamento de 10 bits Assim, um endereço lógico torna-se: Onde p1 é um índice para a tabela de página externa e p2 é o deslocamento dentro da página da tabela de página externa page number page offset pi p2 d 10 10 12

34 Esquema de Tabela de Página de dois níveis

35 Esquema de Tradução de Endereços
Esquema de tradução de endereços com paginação de dois níveis de 32 bits

36 Tabelas de Páginas “Hashed”
Comum em espaços de endereçamento maiores que 32 bits O número de página virtual é “hashed” em uma tabela de página. Esta tabela de página contém um “conjunto” de elementos “hashing” da mesma locação; Números de página virtual são comparados neste “conjunto”, procurando por um igual. Se um endereço igual é encontrado, o quadro físico correspondente é extráído

37 Tabela de Página “Hashed”

38 Tabela de Página Invertida
Uma entrada para cada página real de memória; Cada entrada consiste no endereço virtual da página armazenada naquela posição real de memória, com informações sobre o processo que é proprietário da página; Diminuí a memória necessária para armazenar cada tabela de página, mas aumenta o tempo necessário de pesquisa na tabela quando ocorre uma referência de página; Usa uma hash para limitar a pesquisa para uma entrada – ou, ao menos algumas – entradas de tabela de página

39 Arquitetura de Tabela de Página Invertida

40 Páginas Compartilhadas
Código Compartilhado Uma cópia de código (reentrante) compartilhado ente os processos (ex. Editores de texto, compiladores, ambientes gráficos); Código compartilhado deve aparecer na mesma localização no espaço de endereçamento lógico de todos os processos; Código e Dados Privados Cada processo mantém uma cópia separada do código e dos dados; As páginas de dados e códigos privados podem aparecer em qualquer lugar do espaço de endereçamento lógico;

41 Exemplo de Página Compartilhada

42 Segmentação Esquema de gerenciamento de memória que oferece suporte à visão de usuário da memória; Um programa é uma coleção de segmentos. Um segmento é uma unidade lógica: Programa Principal, Procedimentos, Funções, Métodos, Objetos, Variáveis Locais, Variáveis Globais, Pilhas, Tabela de símbolos, arrays

43 Visão de Usuário de um Programa

44 Visão Lógica de Segmentação
1 4 2 3 1 2 3 4 user space physical memory space

45 Arquitetura de Segmentação
Endereço Lógico consiste de uma dupla: <nº do segmento, deslocamento>, Tabela de Segmentos – mapeia endereços bidimensionais para endereços unidimensionais físicos; Cada entrada da tabela tem: base – Contém o endereço físico de início no qual reside o segmento na memória; limite – especifica o tamanho do segmento; Registrador Base da Tabela de Segmentos (STBR) aponta para a localização da tabela de segmentos na memória; Registrador de Tamanho da Tabela de segmentos (STLR) indica o número de segmentos usados pelo programa; o número de segmento s é legal se s < STLR

46 Arquitetura de Segmentação (Cont.)
Relocação. Dinâmica Por tabela de segmentação Compartilhamento. Segmentos Compartilhados Mesmo número do segmento Alocação. First Fit/Best Fit Fragmentação Externa

47 Arquitetura de Segmentação (Cont.)
Proteção. Associado com cada entrada na Tabela de segmento: Bit de validação = 0  segmento ilegal Privilégios de read/write/execute Bits de proteção associados com segmentos; compartilhamento de código ocorre em nível de segmento; Segmentos variam de tamanho, alocação de memória é um problema de alocação dinâmica de armazenamento; Um exemplo de segmentação é mostrado no diagrama

48 Hardware de Segmentação

49 Exemplo de Segmentação

50 Compartilhamento de Segmentos

51 Segmentação com Paginação – MULTICS
O sistema MULTICS resolveu o problema de frgamentação externa e lentidão no tempo de busca com a paginação de segmentos A solução difere da segmentação pura, já que a entrada para a tabela de segmentação não contém o endereço base para o segmento, mas sim o endereço base de uma tabela de página para este segmento

52 Esquema de Tradução de Endereços MULTICS

53 Segmentação com Paginação – Intel 386
Como mostra o diagrama, Intel 386 usa segmentação com Paginação para o gerenciamento de memória com um esquema de Paginação de dois níveis

54 Tradução de Endereços - Intel 30386

55 Linux em Intel 80x86 Usa segmentação mínima para manter a implementação da memória mais portável Usa 6 segmentos: Código do Kernel Dados do kernel Código de usuário (compartilhado por todos os processos de usuários, usando endereços logicos) Dados Usuários (do mesmo modo compartilhado) Estado das tarefas (contexto do hardware por processo) Usa 2 níveis de proteção: Modo kernel Modo Usuário