s.o Memorias

8/15/2019 s.o Memorias

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Prof.ª Ms. Ana Cláudia Melo Tiessi Gomes de Oliveira

[email protected]

SISTEMAS OPERACIONAIS I

Aula 9 e 10 – Gerenciamento de Memória


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GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA

•

Gerenciamento básico de memória• Troca de processos• Memória virtual• Algoritmos de substituição de páginas•

Modelagem de algoritmos de substituição de páginas• Questões de projeto para sistemas de paginação• Questões de implementação• Segmentação


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Conteúdo• Gerenciamento básico de memória

– Monoprogramação sem troca de processos ou paginação

– Multiprogramação com partições fixas – Modelagem de multiprogramação

– Análise de desempenho de sistemas de

multiprogramação


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Gerenciamento de Memória

• A memória é um recurso importante e por isso deve sergerenciado com cuidado.

• Idealmente, o que todo programador deseja é dispor deuma memória que seja – grande – rápida – não volátil


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Hierarquia de memórias•

Esta hierarquia combina – CACHE : pequena quantidade de memória rápida, de alto

custo. – MEMÓRIA PRINCIPAL (RAM): quantidade considerável

de memória principal de velocidade média, custo médio – MEMÓRIA SECUNDÁRIA: centenas de gigabytes de

armazenamento em disco de velocidade e custo baixos

• O SO quem coordena a utilização destas memórias. Éa parte do SO responsável por esta tarefa éGerenciador de Memória.


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Gerenciamento de Memória

• Ele tem como função manter o controle dequais partes de memória estão em uso e quaisnão estão, alocando memória aos processosquando eles precisam e liberando quando os processos não necessitam mais.

• Gerencia a troca de processos entre a memóriae o disco.


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Gerenciamento básico de Memória

• Os sistemas de gerenciamento de memória sãodivididos em duas classes: – Sistemas que, durante a execução levam e trazem

processos entre a memória principal e o disco. – Sistemas mais simples que não necessitam de

troca.


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Monoprogramação sem Troca de Processos ou Paginação

Três maneiras simples de organizar a memória- um sistema operacional e um processo de usuário


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Monoprogramação sem Troca de Processos ouPaginação

• (a) Foi inicialmente, empregado emcomputadores de grande porte eminicomputadores. Já não existe mais.

• (b) É utilizado em alguns palmtops e emsistemas embarcados.

• (c) Faz parte dos primeiros pc´s (MS DOS). As

parte contidas em ROM são denominadas deBIOS ( Basic Input Output System).


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Multiprogramação com Partições Fixas

• A maneira mais simples de realizar a multiprogramaçãoconsiste em simplesmente dividir a memória e, n

partições (tamanhos diferentes). Essa partição é feitadurante o BOOT.

• Ao chegar, um job poder ser colocado em uma fila deentrada associada à menor partição. Como o tamanho das

partições é fixo nesse esquema, todo o espaço de uma partição usado pelo job é perdido.

• Hoje poucos (nenhum) sistemas suportam esse modelo.


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• Partições fixas de memóriaa) filas de entrada separadas para cada partição

b) fila única de entrada


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•

Desvantagens: – fila grande para partição pequena e fila pequena para uma partiçãogrande.

• Soluções: –

Manter uma única fila. – Pesquisar na fila de entrada e alocar a partição disponível ao maior

job.• Problema: Prejudica job pequenos (entrada e saída)• Solução:

• Haver pelo menos uma partição pequena para atender Jobs pequenos.• Criar uma regra que definisse que um job pronto para execução não poderia

ser preterido de receber uma partição mais do que K vezes, este ganharia um ponto. Quando alcançasse K pontos ele teria uma partição (mesmo quedesperdiçasse memória)


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• Modelo otimista: – De modo genérico, se em média, um processo

permanece em execução apenas 20 por cento do

tempo em que reside em memória, com cinco processos simultaneamente na memória a CPUdeveria permanecer ocupada durante todo o tempo.

Modelagem de Multiprogramação


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• Modelo probabilístico: – Um processo gasta uma fração p de seu tempo esperando

pela finalização de sua solicitação de E/S. Com n processossimultâneos na memória, chega-se a esta fórmula.

Utilização da CPU =


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Utilização da CPU como uma função do número de processos na memória


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Análise de Desempenho de Sistemas de Multiprogramação


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Análise de Desempenho de Sistemas de Multiprogramação

•

Chegada de 4 Jobs e suas necessidades de trabalho• Utilização da CPU por até 4 Jobs com 80% de espera por E/S• Sequência de eventos entre chegada e término dos Jobs

– Note que os números mostram quanto tempo da CPU cada job obtémem cada intervalo


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Troca de Processos (Swapping )

• Alterações na alocação de memória à medida que processosentram e saem da memória

• Regiões sombreadas correspondem a regiões de memória nãoutilizadas naquele instante


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• Alocação de memória muda com a entrada e saída de processos da memória.

• Duas maneiras:

•

Swapping –

programa todo em memória. Carregadodo disco para memória.

• Memória Virtual – Só parte do programa é carregado para a memória.

Troca de Processos (Swapping )


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Troca de Processos (2)

a) Alocação de espaço para uma área de dados em expansão b) Alocação de espaço para uma pilha e uma área de dados,

ambos em expansão


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Gerenciamento de Memória com Mapas de Bits

a) Parte da memória com 5 segmentos de processos e 3 segmentos

de memória livre− pequenos riscos simétricos denotam as unidades de alocação− regiões sombreadas denotam segmentos livres

b) Mapa de bits correspondente

c) Mesmas informações em uma lista encadeada


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Gerenciamento de Memória com Mapas de Bits

Desvantagens:• Se for necessário carregar na memória um

processo com tamanho de K unidades, o

gerenciador de memória precisa encontrarespaço disponível na memória procurando nomapa de bits uma seqüência de k bitsconsecutivos operação é lenta.


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Gerenciamento de Memória com Listas Encadeadas

• Quatro combinações de vizinhança para o

processo X em término de execução• Algoritmos de busca: First-Fit, Next-Fit, Best-Fit,

Worst-Fit e Quick-Fit


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Alguns métodos

• Foram desenvolvidos alguns métodos paraminimizar a fragmentação externa.

Os principais são: – Overlays – Paginação

– Segmentação


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Princípio da Memória Virtual

Overlay• Conceito nascido no tempo em que os computadores

possuíam pouca memória, e não comportavam programas grandes

• Idéia principal: dividir o programa em partes (módulos),de modo que cada um caiba na memória.

• Neste tipo de técnica, o programador é responsável por: – Dividir o programa; – Decidir onde armazenar cada parte, e – Transportar cada parte entre a e memória principal e

secundária.


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A automatização do Overlay

• Um grupo de pesquisa com o objetivo deautomatizar o Overlay criou o métodochamada

MEMÓRIA VIRTUAL


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Memória Virtual

• Memória física é limitada.

• Programas necessitam de mais memória

•

Solução a nível da aplicação: divisão do programa em blocos distintos.

• Programador tinha de retirar e carregar em

memória os blocos ( o SO não intervinha)


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Memória Virtual Paginação (1)

Localização e função da MMU

Memória Virt al


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A relação entreendereços virtuais eendereços físicos dememória dada pelatabela de páginas

Memória VirtualPaginação (2)


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Paginação• Separar os conceitos de espaço de endereçamento e posições de memória.

Exemplo:

– Um computador com um campo de endereço de 16 bits e uma memória principal de 4096 bytes (4K).

– Qualquer programa neste computador pode, então, gerar endereços que variam

de 0 à 62 KB, apesar das posições de endereços acima de 4096 não existiremfisicamente.

• O Hardware forçava uma correspondência de um para um entre espaços deendereçamento e endereços reais.

• Paginação melhora o problema de fragmentação, diminuindo-a, pois todos

os tamanhos dos blocos são iguais, aumentando o desempenho dohardware.


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Paginação• Suposição: há sempre espaço suficiente na memóriasecundária para armazenar um programa completo e

seus dados.• A paginação dá ao programador a ilusão de uma

memória principal grande, linear e contínua, domesmo tamanho do espaço de endereçamento,quando, de fato, a memória principal disponível podeser menor que o espaço de endereçamento.

• A simulação desta memória ampla não pode ser

detectada por programa: é um mecanismostransparente ao usuário.


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Termos Importantes

• Espaço de endereçamento virtual: são osendereços que o programa pode referenciar.

• Endereço físico: são os endereços reais dememória.

• Tabela de páginas: relaciona os endereços virtuais

com endereços físicos.


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Implementação da Paginação

•

Existência de uma memória secundária para manterum programa completo.• A cópia de um programa na memória secundária

poder ser considerado o original.

• As partes trazidas da memória principal, de vez emquando, podem ser consideradas cópias.

• Quando modificações são feitas na cópia da memória principal, elas devem ser refletidas no original.


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Características da Implementação

•

O espaço de endereçamento virtual é dividido em páginas de tamanhos iguais (geralmente de 512 a4096 endereços por página).

• O espaço de endereçamento físico tem tamanhode página idêntico ao do endereçamento virtual

(estas páginas são chamadas páginas físicas)


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Tabelas de Páginas (1)

Operação interna de uma MMU com 16 páginas de 4KB26


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Tabelas de Páginas (1)

•

Tradução do endereço lógico para o endereçofísico é feito pelo hardware do processador , daseguinte forma:

0 0 00 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0

0 0 10 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0

0 0 10 0 10 0 10 1 0

0 1 01 0 1

Endereço lógico

01

2

Endereço físico

Tabela de Página


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Tabelas de Páginas(2)

a) Endereço de 32 bits com 2 campos para endereçamento detabelas de páginas

b) Tabelas de páginas com 2 níveis


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Tabelas de Páginas(3)

Entrada típica de uma tabela de páginas


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Memória Associativa ou TLB

TLB para acelerar a paginação


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Questões de Projetos paraSistemas de Paginação


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Política de Alocação Local x Global (1)

(a) Configuração original; (b) Substituição local; (c) Substituição global


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Política de Alocação - Local x Global (2)

Freqüência de faltas de página como função donúmero de molduras de página alocado


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Controle de Carga

• Mesmo com um bom projeto, o sistema ainda pode sofrer paginação excessiva (thrashing)

• Quando o algoritmo PFF indica – alguns processos precisam de mais memória – mas nenhum processo precisa de menos

• Solução :Reduzir o número de processos que competem pelamemória – levar alguns deles para disco e liberar a memória a eles alocada – reconsiderar grau de multiprogramação


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Tamanho de Página (1)

Tamanho de página pequeno

• Vantagens

– menos fragmentação interna – menos programa não usado na memória

• Desvantagens

– programas precisam de mais páginas, tabelas de página maiores


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Tamanho de Página (2)• Custo adicional da tabela de páginas e

fragmentação interna

• Onde – s = tamano médio do processo em bytes

– p = tamanho da página em bytes

–

e = tamanho da entrada da tabela de página

2

s e poverhead

p

Espaço da tabelade páginas

Fragmentação

interna

O resultado é: 2 p se

custo adicional


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Espaços Separados de Instruções e Dados

a) Espaço de endereçamento único b) Espaços separados de instruções (I) e dados (D)


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Páginas Compartilhadas

Dois processos quecompartilham o mesmocódigo de programa e,

por conseqüência, amesma tabela de páginas para instruções


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Política de Limpeza

•

Precisa de um processo que executa em background, umdaemon de paginação – Inspeciona periodicamente o estado da memória

• Quando apenas algumas molduras de página estão

disponíveis – Seleciona páginas a serem removidas usando um algoritmo de

substituição

• Pode ser implementada através de lista circular (relógio)

com dois ponteiros – Ponteiro da frente controlado pelo daemon de paginação – Ponteiro de trás usado para substituição de página (como no do

relógio)


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Questões de Implementação

Envolvimento do S.O. com a Paginação

Quatro circunstâncias de envolvimento:

1. Criação de processo determina tamanho do programa cria tabela de página

2. Execução de processo

MMU reinicia tabela para novo processo TLB é esvaziada

3. Ocorrência de falta de página determina endereço virtual que causou a falta descarta, se necessário, página antiga carrega página requisitada para a memória

4. Terminação de processo Libera tabela de páginas, páginas, e espaço em disco que as

páginas ocupam


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SEGMENTAÇÃO


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Segmentação (1)

• Espaço de endereçamento unidimensional com tabelas crescentes• Uma tabela pode atingir outra


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Segmentação (2)

Permite que cada tabela cresça ou encolha, independentemente

Comparação entre paginação e segmentação


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p ç p g ç g ç


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Implementação de Segmentação Pura

(a)-(d) Desenvolvimento de fragmentação externa(e) Remoção da fragmentação via compactação

S t ã P i ã P ti (1)


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Segmentação com Paginação: Pentium (1)

Um seletor do Pentium


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Segmentação com Paginação:Pentium (2)

• Descritor de segmento de código do Pentium• Segmentos de dados diferem ligeiramente


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Conversão de um par (seletor, deslocamento) para umendereço linear


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Mapeamento de um endereço linear sobre um endereço físico


S ( )


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Proteção no Pentium


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