unidade 8: gerenciamento de memória

Operating System Concepts Silberschatz and Galvin1999 8.1

Unidade 8: Gerenciamento de Memória

• Introdução

• Espaço de endereçamento lógico e físico

• Swapping

• Alocação contínua

• Paginação

• Segmentação

• Segmentação usando Paginação (gambiarra)


Introdução

• O programa precisa ser colocado em memória e asociado a um processo para que possa ser executado.

• File de entrada – coleção de processos em disco qua estão esperando para ser colocados em memória para execução.

• Programas passam por várias etapas antes de serem executadas.


Link-ediçãode instruções e Dados na Memória

• Em tempo de compilação: Se a alocação da memória é conhecida antecipadamente é possível gerar código absoluto; o código deve ser recompilado se o endereço de início muda.

• Em tempo de carregamento: código relocalizável (relocatable) tem que ser gerado se a localidade no momento da execução não é conhecida no momento da compilação.

• Em tempo de execução: Link-edição é adiada para o momento de execução. Suporte de hardware é preciso para o mapeamento (por exemplo GDT do Pentium).

Link-edição de endereços de instruções e dados pode ser feitoem três situações diferentes:


Carregamento dinâmico

• Uma rotina é carregada somente quando chamada

• Melhor aproveitamento do espaço de memória física; uma rotina inútil nunca é carregada.

• Carregamento dinâmico é útil quando grandes quantidades de código são necessárias para tratar casos que raramente ocorrem.

• Suporte do sistema operacional é desejável mas não indispensável (pode ser implementado até a nível do usuário).


Carregamento dinâmico

• Link-edição é adiada para o momento da execução.

• Pequenos pedaços de código (stub) é usado para localizar a rotina da biblioteca apropriada.

• Quando chamado o stub carrega a rotina e substitui o endereço na instrução a qual o chamou pelo endereço da rotina carregada e executa a rotina.

• O sistema operacional é necessário para verificar se a rotina já tinha sido carregada por outro processo.


Overlays

• Mantém em memória somente aquelas instruções que são necessários naquele momento.

• Necessário quando o processo é maior que a quantidade de memória alocada para ele.

• Pode ser implementado a nível de usuário. Não precisa de suporte específico do sistema operacional, mas o projeto da estrutura de overlay é complicado.


Espaço de endereçamento lógico e físico

• O conceito de um espaço de endereçamento lógico que é mapeado para um espaço de endereçamento físico é fundamental para um gerenciamento de memória decente.

– Endereço lógico – usado nas instruções de máquina; também chamado endereço virtual ou endereço linear.

– Endereço físico – endereço que aparece no barramento entre CPU e memória principal.


Unidade de Gerenciamento de memória (MMU)

• Um circuito em hardware que mapeia endereços virtuais para endereços físicos.

• O programa do usuário trabalha com endereços lógicos - ele nunca enxerga endereços físicos.


Swapping

• Um processo pode ser tirado temporariamente da memória para ser colocado num armazenamento auxiliar, para mais tarde ser recolocado para a memória.

• Arazenamento auxiliar – disco rápido com capacidade suficiente para manter cópias de todas as imagens de memória para todos os usuários e possibilitar acesso direto a essas imagens.

• Roll out, roll in – variante de swapping usada para algoritmos de scheduling baseadas em prioridade – processo de baixa prioridade é tirado para que um processo de alta prioridade possa ser executado.

• A maior parte do tempo de swap é tempo de transferência, proporcional a quantidade de memória tirada e colocada.

• Versões modificadas de swapping podem ser enontadas em vários sistemas, por exemplo UNIX e Microsoft Windows.


Schematic View of Swapping


Allocação

• A memória principal é muitas vezes dividida em dois partes:

– A parte residente (permanente) do sistema operacional, normalmente nos endereços baixos de memória física, junto com tabelas de interrupções e segmentos (IDT, GDT, etc.)

– Processos de usuários em endereços de memória física mais altas.


Allocação (Cont.)

• Alocação em partes múltiplas

– Buraco – bloco de memória disponível; buracos de tamanhos variados são espalhadas as memória.

– Quando chega um processo ele recebe memória de um buraco suficientemente grande para que ele caiba.

– O sistema operacional mantém informações sobre:a) partições alocadas b) buracos

OS

process 5

process 8

process 2

OS

process 5

process 2

OS

process 5

process 2

OS

process 5

process 9

process 2

process 9

process 10


O problema da alocação dinâmica

• First-fit: Aloque o primeiro buraco que é suficientemente grande.

• Best-fit: Aloque o menor buraco que é suficientemente grande. Toda a lista de buracos precisa ser pesquisada (se ela não é ordenada). Resulta no menor buraco residual possível.

• Worst-fit: Aloque o buraco maior; também precisa pesquisar toda a lista. Deixa o maior buraco residual.

Como satisfazer uma requisição de um tamanho de n bytes a partir de umalista de buracos?

First-fit e best-fit são melhores em termos de velocidade e utilização de memória.


Fragmentação

• Fragmentação externa – existe espaço em memória para satisfazer uma determinada requisição, mas o espaço é distribuído em vários buracos.

• Fragmentação interna – memória alocada pode ser ligeiramente maior do que a memória requisitada; a memória restante não é usada. Ocorre quando partições tem tamanho fixo.

• Reduzir fragmentação externa fazendo compactação– desloca conteúdos da memória de forma a juntar todos os buracos

pequenos num só buraco grande.– Compactação é possível somente se a relocação é dinâmica e é

feita em tempo de execução.– Problema de entrada/saída (DMA)

não move processo na memória quando ele está fazendo uma operação de entrada/saída

entrada/saída somente com buffers do S.O.


Paginação

• O espaço de endereçamento físico é particionado. Um processo recebe partições de memória física na medida que eles se tornam disponíveis. O mapeamento entre endereços lógicos e físicos apresenta ao processo um espaço de endereçamento lógico sem particionamento (contínuo).

• Divide a memória física em blocos de tamanho fixo chamado frames. (tamanho é potencia de 2, entre 512 bytes e 8192 bytes).

• Divide memória lógica em blocos do mesmo tamanho chamadas páginas.

• Mantenha registro dos frames livres.

• Para rodar um programa de n páginas, procure n frames livres e carregue o programa.

• Tabela de paginação.

• Fragmentação interna.


Address Translation Scheme

• Address generated by CPU is divided into:

– Page number (p) – used as an index into a page table which contains base address of each page in physical memory.

– Page offset (d) – combined with base address to define the physical memory address that is sent to the memory unit.


Address Translation Architecture


Paging Example


Implementation of Page Table

• Page table is kept in main memory.

• Page-table base register (PTBR) points to the page table.

• Page-table length register (PRLR) indicates size of the page table.

• In this scheme every data/instruction access requires two memory accesses. One for the page table and one for the data/instruction.

• The two memory access problem can be solved by the use of a special fast-lookup hardware cache called associative registers or translation look-aside buffers (TLBs)


Memória associativa

• Memórias associativas implementam busca em paralelo em hardware

– dado o número de página, encontra o número do frame

Page # Frame #


Tempo de acesso médio efetivo

• Busca associativa = unidades de tempo

• Suponha ciclo de memória principal de 1 unidade de tempo

• taxa de acerto – porcentagem de vezes que um numero de pagina é encontrado no registro associativo. Esta razão é relacionada a capacidade da memória associativa.

• Tempo de acesso médio efetivo (EAT)

EAT = (1 + ) + (2 + )(1 – )

= 2 + –


Proteção de memória com paginação

• Bit Presente em cada entrada da tabela de página:

– ‘1’ indica que pagina está bom .

– ‘0’ indica que está fora.


Two-Level Page-Table Scheme


Two-Level Paging Example

• A logical address (on 32-bit machine with 4K page size) is divided into:– a page number consisting of 20 bits.– a page offset consisting of 12 bits.

• Since the page table is paged, the page number is further divided into:– a 10-bit page number. – a 10-bit page offset.

• Thus, a logical address is as follows:

where pi is an index into the outer page table, and p2 is the displacement within the page of the outer page table.

page number page offset

pi p2 d

10 10 12


Address-Translation Scheme

• Address-translation scheme for a two-level 32-bit paging architecture


Multilevel Paging and Performance

• Since each level is stored as a separate table in memory, covering a logical address to a physical one may take four memory accesses.

• Even though time needed for one memory access is quintupled, caching permits performance to remain reasonable.

• Cache hit rate of 98 percent yields:

effective access time = 0.98 x 120 + 0.02 x 520

= 128 nanoseconds.

which is only a 28 percent slowdown in memory access time.


Inverted Page Table

• One entry for each real page of memory.

• Entry consists of the virtual address of the page stored in that real memory location, with information about the process that owns that page.

• Decreases memory needed to store each page table, but increases time needed to search the table when a page reference occurs.

• Use hash table to limit the search to one — or at most a few — page-table entries.


Inverted Page Table Architecture


Shared Pages

• Shared code

– One copy of read-only (reentrant) code shared among processes (i.e., text editors, compilers, window systems).

– Shared code must appear in same location in the logical address space of all processes.

• Private code and data

– Each process keeps a separate copy of the code and data.

– The pages for the private code and data can appear anywhere in the logical address space.


Shared Pages Example


Segmentation

• Memory-management scheme that supports user view of memory.

• A program is a collection of segments. A segment is a logical unit such as:

main program,

procedure,

function,

local variables, global variables,

common block,

stack,

symbol table, arrays


Logical View of Segmentation

1

3

2

4

1

4

2

3

user space physical memory space


Segmentation Architecture

• Logical address consists of a two tuple:

<segment-number, offset>,

• Segment table – maps two-dimensional physical addresses; each table entry has:

– base – contains the starting physical address where the segments reside in memory.

– limit – specifies the length of the segment.

• Segment-table base register (STBR) points to the segment table’s location in memory.

• Segment-table length register (STLR) indicates number of segments used by a program;

segment number s is legal if s < STLR.


Segmentation Architecture (Cont.)

• Relocation.

– dynamic

– by segment table

• Sharing.

– shared segments

– same segment number

• Allocation.

– first fit/best fit

– external fragmentation


Segmentation Architecture (Cont.)

• Protection. With each entry in segment table associate:

– validation bit = 0 illegal segment

– read/write/execute privileges

• Protection bits associated with segments; code sharing occurs at segment level.

• Since segments vary in length, memory allocation is a dynamic storage-allocation problem.

• A segmentation example is shown in the following diagram


Sharing of segments


Segmentation with Paging – MULTICS

• The MULTICS system solved problems of external fragmentation and lengthy search times by paging the segments.

• Solution differs from pure segmentation in that the segment-table entry contains not the base address of the segment, but rather the base address of a page table for this segment.


MULTICS Address Translation Scheme


Segmentation with Paging – Intel 386

• As shown in the following diagram, the Intel 386 uses segmentation with paging for memory management with a two-level paging scheme.


Intel 30386 address translation


Comparing Memory-Management Strategies

• Hardware support

• Performance

• Fragmentation

• Relocation

• Swapping

• Sharing

• Protection

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