Transcript Wykład 9
Systemy operacyjne
Wykład nr 9: Zarządzanie pamięcią Piotr Bilski
Pojęcia podstawowe
• W momencie tworzenia procesu, obraz binarny pliku jest kopiowany do pamięci • Kolejka wejściowa – kolejka procesów na dysku czekających na przeniesienie do pamięci • Ogólnie proces może znajdować się w dowolnym miejscu w pamięci • System wiąże adresy bezwzględne (fizyczne) z względnymi (logicznymi)
Przetwarzanie programu
Program źródłowy Inne moduły Kompilator lub asembler Moduł wynikowy Faza kompilacji Konsolidator Biblioteka systemowa Moduł ładowalny Ładowacz Faza ładowania Biblioteka DLL Obraz binarny Faza wykonania
Miejsca wiązania adresów
• Faza kompilacji – kod bezwzględny (pliki COM) • Faza ładowania – kod przemieszczany (zmiana względem adresu początkowego) • Faza wykonania – przemieszczanie programu w czasie wykonywania, najbardziej uniwersalna
Pamięć logiczna a fizyczna
• Adres logiczny (wirtualny) – adres na poziomie programu, generowany przez procesor • Adres fizyczny – adres sprzętowy lokacji w pamięci • Odwzorowywanie przestrzeni adresowych wykonuje MMU (z użyciem rejestrów przemieszczenia) • MS-DOS działa z czterema rejestrami przemieszczenia
Ilustracja działania MMU
Procesor Adres logiczny: 471 Rejestr przemieszczenia + 16500 Adres fizyczny: 16971 MMU Pamięć
Ładowanie dynamiczne
• Program składa się z niezależnych modułów (podprogramów) • Moduły są ładowane do pamięci dopiero, gdy są potrzebne • Odpowiada za to program łączący i ładujący • Korzyść – zmniejszenie efektywnej wielkości programu • Ładowanie dynamiczne nie wymaga wsparcia systemu operacyjnego
Biblioteki dołączane dynamicznie • Działanie oparte na opóźnieniu konsolidacji • System operacyjny udostępnia własny zestaw bibliotek • Program użytkownika ma tylko odwołanie do funkcji z biblioteki, tzw. namiastkę • Możliwa jest przezroczysta aktualizacja bibliotek • Konsolidacja wymaga wsparcia systemu operacyjnego
Nakładki
• Umożliwiają uruchamianie niezależnych fragmentów kodu, których łączny rozmiar przekracza dostępną wielkość pamięci • Nakładki przechowywane są na dysku w postaci obrazów gotowych do ładowania • Wsparcie systemu operacyjnego nie jest wymagane • Potrzebny moduł obsługi nakładek
70KB Przebieg 1
Ilustracja nakładek
Tablica symboli 20KB Wspólne podprogramy 30KB Moduł obsługi nakładek 10KB 80KB Przebieg 2 Dostępna pamięć: 150 KB
Wymiana
• Proces przenoszenia programu z pamięci głównej do pomocniczej (wytaczanie) i odwrotnie (wtaczanie) • W systemie z podziałem czasu wytaczanie i wtaczanie powinno trwać znacznie krócej, niż praca procesu • Kolejka procesów gotowych musi obejmować gotowe procesy w pamięci pomocniczej • Wymiana a operacje wejścia-wyjścia
Przydział ciągły pamięci
• Pamięć jest podzielona na dwie części – dla systemu operacyjnego (dolną) i programów użytkownika • Procesy muszą zajmować zwarte fragmenty pamięci • Problem zabezpieczania obszarów pamięci przydzielonych do różnych procesów
Realizacja sprzętowego zabezpieczenia przestrzeni adresowej Rejestr graniczny Rejestr przemieszczenia Procesor Adres logiczny < TAK NIE Pułapka: błąd adresowania + Adres fizyczny Pamięć
Metody przydziału pamięci
• Metoda wielu obszarów (IBM OS/360) – Obszary (partycje) o ustalonym rozmiarze – Każdy proces dysponuje jednym obszarem • Metoda zmiennej liczby zadań – Obszary o dowolnym rozmiarze, przydzielane w zależności od zapotrzebowania procesu – Problem zajmowania dziur dla procesów • Algorytmy zajmowania wolnej przestrzeni – Pierwsze dopasowanie – Najlepsze dopasowanie – Najgorsze dopasowanie
Problem fragmentacji
• Fragmentacja zewnętrzna – pozostałe wolne obszary są niespójne i za małe, aby zmieścić nowy proces • Fragmentacja wewnętrzna – część przydzielonego procesowi obszaru jest niewykorzystana • Unikanie fragmentacji zewnętrznej – upakowanie
Stronicowanie
• Schemat zarządzania pamięcią dopuszczający nieciągłość pamięci przydzielonej procesowi • Pamięć fizyczna podzielona jest na małe fragmenty o stałej długości – ramki • Pamięć programu podzielona jest na małe fragmenty o stałej długości - strony
Realizacja stronicowania
Procesor Adres logiczny s o s r Tablica stron Adres fizyczny r o Pamięć fizyczna
Model stronicowania
Strona 0 Strona 1 Strona 2 Strona 3 Pamięć logiczna 0 1 2 3 1 8 3 6 Tablica stron 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Strona 0 Strona 2 Strona 3 Strona 1 Pamięć fizyczna
Cechy stronicowania
• Rozmiar strony (512B-16MB) zależy od sprzętu • Eliminacja zewnętrznej fragmentacji – zostaje wewnętrzna!
• Duże strony – duża fragmentacja wewnętrzna • Małe strony – duża tablica stron Numer strony s Odległość na stronie o m-n n • 2 m – rozmiar logicznej przestrzeni adresowej • 2 n – rozmiar strony
Problemy stronicowania
• System musi wiedzieć, które ramki są wolne – tablica ramek • Rozmiar pozycji w tablicy stron zależy od wielkości pamięci i liczby stron • Strony procesów mają być widoczne tylko dla nich samych • Problemy zabezpieczeń
Wsparcie sprzętowe stronicowania • PCB przechowuje wskaźnik do tablicy stron • Tablica stron może być: – zestawem rejestrów (tylko dla małych programów) – Częścią pamięci operacyjnej (wskazywanej przez rejestr bazowy tablicy stron PTBR) • Bufor translacji adresów stron (TLB) – pamięć podręczna dla stronicowania
Realizacja stronicowania z TLB Adres logiczny s o Nr strony Nr ramki Adres fizyczny r o Procesor trafienie Pamięć fizyczna s chybienie r
Aspekty działania TLB
• Niewielki rozmiar (do 1024 pozycji) • Zastępowanie wpisów, gdy TLB pełny (z wyłączeniem pozycji przypiętych) • Przechowywanie identyfikatorów przestrzeni adresowej (AISD) • Współczynnik trafień TLB powinien dążyć do 100 procent • Efektywny czas dostępu do pamięci:
t eff
hr
(
t TLB
t MEM
) ( 1
hr
) (
t TLB
2
t MEM
)
Ochrona stronicowania
• Bity ochrony przypisane do każdej ramki określają tryb dostępu (zapis/odczyt lub odczyt) • Bit poprawności określa, czy strona należy do przestrzeni adresowej procesu • Rejestr długości tablicy stron (PTLR) zapobiega tworzeniu tablicy stron na całej przestrzeni dostępnej dla procesu, gdy zajmuje on mniejszy rozmiar
Stronicowanie hierarchiczne
• Konieczne dla dużych przestrzeni adresowych (np. rzędu 2 32 słów) • Stronicowanie dwupoziomowe: Numer strony Odległość na stronie s 1 s 2 o n 1 n 2 m • Np. w fizycznej przestrzeni 32-bitowej strona może mieć 4KB (2 bitów 12 ), więc tablica musiałaby zajmować 2 20 wpisów Zamiast tego tworzy się dwie tablice o długości po 10
Wstępnie odwzorowana tablica stron 1 300 0 1 2 2 Pamięć fizyczna 300 Zewnętrzna tablica stron Tablica stron
Hashowana tablica stron
• Stronicowanie hierarchiczne w przestrzeniach adresowych większych niż 32-bitowe jest nieefektywne • Hashowana tablica stron zawiera wpisy – powiązane listy elementów składających się z trzech elementów: – Numer strony wirtualnej – Wartość odwzorowanej ramki strony – Wskaźnik do następnego elementu na liście
Działanie hashowanej tablicy stron Adres logiczny s o Adres fizyczny r o Funkcja hashująca Tablica z hashowaniem s r s r … Pamięć fizyczna
Odwrócona tablica stron
• Alternatywne rozwiązanie do tablicy stron, gdy procesów jest bardzo dużo lub są one bardzo duże • Każda pozycja to odwzorowanie ramki na stronę (odwrotnie!) • Istnieje jedna tablica dla wszystkich procesów • Adres logiczny ma wówczas postać:
Działanie odwróconej tablicy stron Adres logiczny PID s o Adres fizyczny i o Przeglądanie Procesor Pamięć fizyczna PID s Tablica stron
Strony dzielone
• Realizacja współdzielenia kodu przez procesy • Kod wznawialny (reentrant code) może być używany przez różnych użytkowników i programy (systemy z podziałem czasu) • Kod wznawialny nie może zmieniać się w czasie wykonania (jest tylko do czytania) • Każdy użytkownik korzysta z tej samej kopii programu i własnej kopii danych
Segmentacja
• Logiczna przestrzeń adresowa dzielona jest na obszary o różnej wielkości przypisywane poszczególnym programom i ich fragmentom • Każdy segment ma nazwę i długość • Segmenty są numerowane • Adres logiczny ma postać:
Sprzęt do segmentacji
• Odwzorowanie adresu logicznego na fizyczny zapewnia tablica segmentów • Każdy wpis zawiera bazę segmentu i jego granicę • Segmentacja jest widoczna dla programisty • Występuje tu problem zewnętrznej segmentacji
s Ilustracja sprzętu do segmentacji Przeglądanie s Granica Baza o Tablica segmentów Procesor < Tak + Pamięć fizyczna Nie Pułapka: błąd adresowania
Ochrona i współużytkowanie
• Segmentacja zapewnia ochronę danych i rozkazów tylko do odczytu (bity ochrony) • Umieszczenie tego samego identyfikatora w dwóch różnych tablicach umożliwia dzielenie danych lub kodu
Ilustracja współużytkowania
Granica Baza 0 25286 43062 1 4425 68348 Edytor Dane 1 43062 Edytor Segment 1 Segment 0 Pamięć logiczna procesu P 1 68348 72773 Dane 1 Edytor Dane 2 Granica Baza 0 25286 43062 1 8850 90003 90003 Dane 2 98553 Segment 1 Segment 0 Pamięć logiczna procesu P 2 Pamięć fizyczna
Segmentacja ze stronicowaniem • Rozwiązanie stosowane w procesorach Intela • Wsparcie większości systemów operacyjnych (OS/2, Windows, Linux) • Przestrzeń adresów logicznych podzielona jest na dwie strefy, opisywane przez tablicę lokalnych deskryptorów (LDT) oraz tablicę globalnych deskryptorów (GDT)
Adresowanie w segmentacji
• Adres logiczny jest parą
s
Schemat adresowania
o Deskryptor segmentu + kat strona odl Wpis katalogowy Pozycja tablicy stron Rejestr bazowy katalogu stron Adres fizyczny