Zarządzanie pamięcią operacyjną zagadnienia podstawowe

Transkrypt

1 Zaządzanie pamięcią peacyjną zagadnienia pdtawwe Pamięć jak zaób ytemu kmputeweg Pamięć jet zabem łużący d pzechwywania danych. Z punktu widzenia ytemu jet zabem tuktuze hieachicznej (pcząwzy d ejetów pcea, pzez pdęczną, główną, kńczywzy na pamięci mawej), w któej na wyżzym pzimie pzechwywane ą dane, tanwiące fagment zawatści pzimu niżzeg. Z punktu widzenia pceu jet zbiem bajtów tablicą bajtów identyfikwanych pzez y, czyli tablicą bajtów, w któej y ą indekami. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 2 Hieachia pamięci Pzetzeń wa taśma ejety pdęczna główna dyk magnetyczny dyk ptyczny I zędu (ang. pimay) II zędu (ang. ecnday) Pzetzeń wa jet zbió wzytkich dpuzczalnych ów w pamięci. W zależnści d chaakteu u dóżnia ię: pzetzeń fizyczną zbió ów pzekazywanych d układów pamięci głównej (fizycznej). pzetzeń lgiczną zbió ów genewanych pzez pce w kntekście aktualnie wyknywaneg pceu. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 3 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 4 Obaz pceu w pamięci Twzenie bazu pceu Twzenie bazu Kmpilacja Knlidacja Ładwanie kdu Relkacja Ochna Wpółdzielenie pgam pgam pgam źódłwy źódłwy źódłwy tanlat knlidacja tatyczna mduł wynikwy mduł wynikwy mduł wynikwy knlidat knlidacja dynamiczna w czaie ładwania mduł bibliteczny mduł bibliteczny mduł bibliteczny pgam ładwalny mechanizm ładwania mechanizm ładwania dynamicz. baz w pamięci peac. pgam wyknywany Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 5 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 6

2 Wiązanie i pzekztałcanie ów W mdelu vn Neumana y dtyczą zkazów (intukcji) az zmiennych (danych). Jeśli w pgamie źódłwym wytępują y, t mają ne ptać ymbliczną (etykiety w aembleze) lub abtakcyjną (wkaźniki w C lub Pacalu). Adey związane z lkalizacją pjawiają ię na etapie tanlacji i ą dpwiedni pzekztałcane aż d uzykania ów ch. Tanlacja W wyniku tanlacji (kmpilacja, aemblacja) pwtaje pzemiezczalny mduł wynikwy (elcatable bject mdule), w któym wzytkie y liczne ą względem u pczątku mdułu. Gdyby pgam kładał ię z jedneg mdułu, a jeg dcelwa lkalizacja w pamięci była z góy znana, na etapie tanlacji mgłyby ztać wygenewane y fizyczne. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 7 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 8 Knlidacja Knlidacja tatyczna dnieienia d innych mdułów zamieniane ą na y w czaie twzenia pgamu wyknywalneg. Knlidacja dynamiczna w czaie ładwania w czaie ładwania pgamu natępuje załadwanie mdułów biblitecznych i związanie dpwiednich ów, w czaie wyknania załadwanie mdułów biblitecznych i związanie ów natępuje dpie pzy dwłaniu ię d nich w czaie wyknywania pgamu. Knlidacja tatyczna W czaie łączenia mdułów pzemiezczalnych w jeden pgam ładwalny zwany też mdułem ablutnym (ang. ablute mdule), d ów pzemiezczalnych ddawane ą watści, wynikające z pzeunięcia daneg mdułu pzemiezczalneg względem pczątku mdułu ablutneg. Gdyby dcelwa lkalizacja pgamu w pamięci była z góy znana, na etapie tym mgłyby ztać wygenewane y fizyczne. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 9 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 1 Ładwanie kdu (1) Ładwanie kdu (2) kd dane plik z pgamem ładwalnym blk kntl. kd dane t peacyjna Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 11 Ładwanie ablutne pgam ładwany jet w utalne miejce w pamięci, znane w mmencie twzenia pgamu ładwalneg. Ładwanie elkwalne fizyczna lkalizacja pceu utalana pzy ładwaniu d pamięci. Ładwanie dynamiczne w czaie wyknania fizyczna lkalizacja pceu w pamięci mże ulec zmianie w czaie wyknywania. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 12

3 Pblem ealizacji elkacji Jeśli y fizyczne utalane ą dpie na etapie twzenia bazu pceu w pamięci, wzytkie y muzą ztać dpwiedni pzeliczne pzy ładwaniu pgamu d pamięci. Wymiana pceów pmiędzy pamięcią główną a pamięcią pmcniczą wymaga pzeliczenia ów pzed każdym pnwnym ładwaniem bazu pceu d pamięci, gdyż tudn wymagać, żeby pce ładwany był dkładnie w ten am bza, któy zajmwał wcześniej. Wiązanie u w czaie ładwania Utalanie ów ch w czaie ładwania wymaga wkazania tych miejc w pgamie ładwalnym, któe zawieają y ablutne i ddania d nich pzemiezczenia względem pczątku bzau pamięci fizycznej. Fmat pliku z pgamem ładwalnym mui zatem ddatkw uwzględniać identyfikację ów, pzez c taje ię kmplikwany i pwduje wzt zmiau ameg pliku. Pzeliczanie ów jet peacją czachłnną. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 13 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 14 Wiązanie u w czaie wyknania Ade lgiczny i Utalanie ów ch w czaie wyknania znacza, że wygenewany pzez pcea pddawany jet dpwiedniej tanfmacji, zanim ztanie wytawiny na zynie wej magitali ytemwej ytemu. Efektywne genewanie ów ch w czaie wyknania wymaga dpwiednieg wpmagania pzętweg i wpwadza pdział na y lgiczne i fizyczne. lgiczny PROCESOR jedntka aytmetycznlgiczna (ALU) jedntka zaządzania pamięcią (MMU) jedntka wa jedntka teująca ejety magitala wa Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 15 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 16 Pzykład dwzwania u lgiczneg na pce lgiczny 25 ejet pzemiezczenia 1 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 17 + jedntka zaządzania pamięcią (MMU) 125 Ochna pamięci W ytemie wielzadaniwym wytępuje kniecznść chny pzed zamiezną lub pzypadkwą ingeencją pceu w bza inneg pceu lub jąda ytemu peacyjneg. Ochna jąda ytemu peacyjneg wkazana jet ównież w pzypadku ytemów jednzadan., nie jet jednak elementem kytycznym, gdyż całść zabów ytemu pzeznaczna jet na ptzeby jedneg pzetwazania. Bak chny pwdwać mże jednak utatę kntli nad ytemem pzez użytkwnika. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 18

4 Pblemy ealizacji chny pamięci Ochna pamięci wymaga weyfikacji ów genewanych pzez pce pzy każdazwym dnieieniu d pamięci. W celu weyfikacji ów w kntekście daneg pceu muzą być pzechwywane infmacje na temat dtępnści bzaów pamięci (zake ów, tyb dtępu). Efektywna ealizacja chny wymaga dpwiednieg wpmagania pzętweg. pułapka Pzykład chny bzau pamięci N ejet ganiczny < T lgiczny ejet pzemiezczenia pce 1 + MMU Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 19 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 2 Wpółdzielenie pamięci Efektywnść wykzytania pamięci wpółdzielenie kdu pgamu wpółdzielenie kdu funkcji biblitecznych Kpeacja pceów ynchnizacja działań pceów kmunikacja pmiędzy pceami (wpółdzielenie danych) Pblemy ealizacji wpółdzielenia Realizacja wpółdzielenia pzy baku zdziału pmiędzy fizyczną i lgiczną pzetzenią wą wymaga związania pdbnych pblemów z wiązaniem ów jakie pjawiają ię pzy elkacji, a pnadt uniemżliwia chnę pamięci lub wpwadza ganiczenia w dtępie. Wpółdzielenie pamięci pzy zachwaniu elatycznści dtępu wymaga zdzielenia lgicznej i fizycznej pzetzeni wej. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 21 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 22 Lkalizacja pceu w pamięci Ogólny baz pamięci fizycznej pdział tały pamięci, pdział dynamiczny pamięci, pte tnicwanie, pta egmentacja, tnicwanie w ytemie pamięci witualnej, egmentacja w ytemie pamięci witualnej. xfff... jąd ytemu peac. pzetzeń pceów użytkw. pzetzeń pceów użytkw. jąd ytemu peac. tab. wekt. pzewań pzetzeń pceów użytkw. jąd ytemu Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 23 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 24

5 Pdział tały Pdział pamięci na tałe bzay (tefy, patycje), któych zmia i płżenie utalane ą na etapie knfiguacji ytemu. Pcewi pzydzielany jet cały bza zmiaze więkzym lub ównym zmiawi pceu. Zalety: łatwść implementacji i zaządzania Wady: łaba efektywnść wykzytania pamięci (fagmentacja wewnętzna, ganiczna liczba aktywnych pceów. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 25 Pdział tały patycje ównym zmiaze jąd ytemu Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 26 Pdział tały pblem zbyt małych patycji Nakładkwanie jąd ytemu jąd ytemu część tała nakładki bza nakładkwania Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 27 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 28 Pdział tały patycje óżnych zmiaach Pdział dynamiczny? jąd ytemu Pdział pamięci twzny jet w czaie pacy ytemu twnie d żądań pceów. Pce ładwany jet w bza zmiaze dkładnie dpwiadającym jeg wymaganim. Zalety: lepze wykzytanie pamięci (bak fagmentacji wewnętznej) Wady: kmplikwane zaządzanie, wynikające z kniecznści utzymywania dpwiednich tuktu danych w celu identyfikacji bzaów zajętych az wlnych. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 29 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 3

6 Obaz pamięci pzy pdziale dynamicznym Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 31 Pdział dynamiczny pblem wybu blku Piewze dpawanie pzydziela ię piewzy wlny bza (tzw. dziuę) wytaczającej wielkści. Pzukiwanie kńczy ię p znalezieniu takieg bzau. Najlepze dpawanie pzydziela ię najmniejzy dtatecznie duży wlny bza pamięci. Knieczne jet pzezukanie wzytkich dziu. Natępne dpawanie pdbnie jak piewze dpawanie, ale pzukiwania zpczyna ię d miejca tatnieg pzydziału. Najgze dpawanie pzydziela ię najwiękzy wlny bza pamięci. Knieczne jet pzezukanie wzytkich dziu. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 32 Piewze dpawanie (ang. fit fit) Najlepze dpawanie (ang. bet fit) blk blk kieunek pzezukiwania kieunek pzezukiwania Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 33 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 34 blk kieunek pzezukiwania Najgze dpawanie (ang. wt fit) Sytem blków bliźniaczych (buddy) Pamięć dtępna dla pceów użytkwnika ma zmia 2 U. Pzydzielany blk ma zmia 2 K, gdzie L K U. Pczątkw dtępny jet jeden blk zmiaze 2 U. Realizacja pzydziału bzau zmiaze plega na znalezieniu lub utwzeniu (pzez płwienie) blku zmiaze 2 i takim, że 2 i 1 < 2 i. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 35 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 36

7 Sytem buddy pzykład Fagmentacja żądanie pzydziału 1KB 128K 128K żądanie pzydziału 24KB 128K 128K żądanie pzydziału 64KB 128K żądanie pzydziału 25KB 128K 256KB 256KB 256KB 256KB 1MB 512KB 512KB 512KB 256KB 256KB Fagmentacja zewnętzna pdział bzau pamięci na złączne fagmenty, któe nie tanwią ciągłści w pzetzeni wej (mże t dtyczyć zaówn bzau wlneg, jak i zajęteg) Fagmentacja wewnętzna pztawienie niewykzytywaneg fagmentu pzetzeni wej wewnątz pzydzielneg bzau (fmalnie fagment jet zajęty, w zeczywitści nie jet wykzytany) Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 37 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 38 Fagmentacja zewnętzna Fagmentacja wewnętzna blk blk bza nie wykzytany zaptzebwanie pzydział Pzydział dkładnie tylu bajtów, ile wyni zaptzebwanie, pwduje, że kzt utzymania badz małeg bzau wlneg jet niewpółmienie duży, np. dane bzaze zajmują więcej bajtów, niż zmia teg bzau. Dlateg wlny bza pzydzielany jet w całści, ale nie jet w pełni wykzytany. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 39 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 4 Pte tnicwanie (ang. paging) Abitalny pdział jet na amki (ang. fame) w któe ładwane ą dpwiednie tny wynikające z pdziału bazu pceu. Pdział lgicznej pzetzeni wej na tny (ang. page) takim amym zmiaze, jak amki w pamięci fizycznej. Zalety: bak fagmentacji zewnętznej, wpmaganie dla wpółdzielenia i chny pamięci. Wady: fagmentacja wewnętzna (niewielka). Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 41 Stnicwanie tanfmacja u Ade lgiczny zawiea nume tny i pzeunięcia na tnie (ang. ffet). n tny (22 bity) pzeunięcie (1 bitów) Tanfmacja u plega na zatąpieniu numeu tny numeem amki. Odwzwanie numeu tny na nume amki wyknywane jet za pmcą tablicy tn (ang. page table). Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 42

8 Schemat tanfmacji u w ytemie pamięci tnicwanej pce nume tny nume amki pzeunięcie lgiczny tn Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 43 Pzykład dwzwania tn w amki g: lgiczny = 6 (11 i 2 ) 1 j a = 1 (11 2 ) 2 k 1 b 3 l 2 c 4 3 d 5 4 e f g e 7 h 2 9 f 8 i g 9 j 2 11 h 1 k 12 a 11 l tn 13 b tny 14 c 3 15 d Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 44 amki Bufy tanlacji ów tn (TLB) pce nume tny nume amki pzeunięcie lgiczny bufy TLB tn Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 45 Stnicwanie wielpzimwe Budwa u 1 zewnętzna tn 1 2 n tny zewnętznej wewnętzna tn 2 n tny wewnętznej pzeunięcie na tnie Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 46 amka pamięci Odwócna tn (ang. inveted page table) W dwócnej tablicy tn jet jedna pzycja dla każdej amki. PID pceu n tny pzeunięcie Tablica tn indekwana jet numeem amki, a zawiea identyfikat pceu az witualny nume tny. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 47 pce Odwócna tn tanfmacja u PID nume tny nume amki pzeunięcie PID id pceu lgiczny PID dwócna tn Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 48

9 Segmentacja (ang. egmentatin) Pzetzeń ów lgicznych jet ptzegana jak zbió egmentów. Pdtawwe atybuty egmentu: nazwa (identyfikat, nume), któa jet indekem w tablicy egmentów bazwy wkazanie na pczątek egmentu zmia długść egmentu w utalnych jedntkach (np. w bajtach, paagafach). Ade lgiczny kłada ię z numeu egmentu i pzeunięcia wewnątz egmentu. Odwzwanie ów lgicznych w fizyczne zapewnia egmentów. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 49 pułapka N lgiczny Schemat wania z egmentacją < egmentów ganica T baza Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 5 + Schemat wania z egmentacją i tnicwaniem Pta egmentacja pułapka N < egmentów ganica T baza tablicy tn + Pdział pceu na egmenty, któe ładwane ą d dynamicznych patycji w pamięci. Rzmiezczenie egmentów w pamięci mże być dwlne (nie mui t być ciągły bza) Zalety w pównaniu z pdziałem dynamicznym: elatycznść w pzydziale pamięci. Wady w pównaniu z pdziałem dynamicznym: badziej kmplikwane zaządzanie. lgiczny Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 51 Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 52 Odwzwanie u lgicz. na pdumwanie Pzemiezczenie pwtaje z lgiczneg pzez ddanie pzemiezczenia. Stnicwanie jet pdzielna na lgiczne tny utalnym zmiaze dpwiadające m amkm. Badziej znacząca część bitów u intepetwana jet jak nume tny, a pztała, mniej znacząca część bitów jet pzeunięciem na tnie. Segmentacja jet pdzielna na egmenty, czyli bzay zdefiniwane pzez wkazanie pczątku w pamięci fizycznej i zmia. Ade lgiczny bejmuje identyfikat (nume) egmentu az pzeunięcie wewnątz egmentu. Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 53 Wpółdzielenie pamięci pzy zdzieleniu fizycznej i lgicznej pzetzeni wej a i 3 1b 1 j 1 2 2c 2 2 k 3d 3 3 l 4e 4 5 f 1 dwzwania 1 6g 7 7h e 8 e 1 f 9 f 2g g 3h 1 11 h 4 i 2 5 j 3 12 a 1 6k 13 b 14 c 3 7 l dwzwania 15 d pzetzeń lgiczna Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 54 pzetzeń fizyczna

10 Ciągłść lgicznej pzetzeni wej Czy w gólnym pzypadku lgiczna pzetzeń wa w ytemie tnicwania pamięci jet ciągła? Czy w gólnym pzypadku lgiczna pzetzeń wa w ytemie egmentacji pamięci jet ciągła? Sytemy peacyjne Zaządzanie pamięcią peacyjną 55