Administración de Memoria Memoria Virtual
Cecilia Hernández
2007-1
Administración de Memoria
Objetivos de la Administración de Memoria Proveer una abstracción simple de programación Proveer aislamiento entre procesos Asignar memoria (limitada) a procesos que la
requieren maximizando el rendimiento, productividad y minimizando sobrecarga (overhead)
Mecanismos Memoria física versus virtual Administración de tablas de páginas y segmentación Algoritmos de reemplazamiento de páginas
Memoria Virtual
Abstracción básica que proporciona SO para la administración de memoria Memoria virtual habilita la ejecución de procesos sin
estar contenidos completamente en memoria física• Consecuencia inmediata: un proceso puede requerir más
memoria de la disponible físicamente
Posible porque muchos programas no necesitan todo el código o datos al mismo tiempo
• Por ejemplo, datos en una rama condicional que nunca son accesados
• SO puede asignar memoria física durante tiempo de ejecución (cuando sea requerido)
Memoria Virtual aisla procesos• Cada proceso tiene su propio espacio de direccionamiento
Memoria Virtual cont
La implementación de Memoria virtual requiere apoyo del hardware MMUs, TLBs, tablas de páginas
Historia Sistemas Batch
Programas usaban memoria física directamente OS cargaba trabajo, lo ejecutaba y lo descargaba
Sistemas Multiprogramados Múltiples procesos coexistían en memoria al mismo tiempo
• Procesos usaban CPU y dispositivos I/O simultáneamente Requerimientos de administración de memoria
• Protección, restringiendo espacios de direccionamiento para evitar daños entre ellos
• Traducción rápida, acceso a la memoria debe ser rápida
• Cambio de contexto, debe ser rápido, (protección y traducción) Swapping
• Salvar el estado de programa completo (incluyendo memoria) a disco para permitir la ejecución de otros
• Swap in : de disco a memoria
• Swap out : de memoria a disco
Direcciones Virtuales
Para facilitar el manejo de memoria de múltiples procesos, procesos manejan memoria virtual Direcciones virtuales son independientes de las
direcciones de memoria física (donde realmente código y datos están)
• SO determina ubicación de memoria física Las instrucciones con las cuales trabaja la CPU
usan direcciones virtuales• punteros, argumentos de load/store, PC, etc
Traducción de direcciones virtuales a físicas se realiza por hardware con ayuda del SO
Direcciones Virtuales cont
El conjunto de direcciones virtuales que un proceso puede direccionar corresponde a su espacio de direccionamiento Existen muchos mecanismos para la traducción de
direcciones virtuales a físicas• Particiones fijas• Particiones variables• Paginación (técnica moderna)• Segmentación (técnica moderna)• Paginación y segmentación
Traducción con Particiones Fijas
Memoria física se divide en particiones fijas Todas las particiones son de tamaño fijo y nunca cambian
• Pero pueden haber particiones de diferentes tamaños Hardware requerido: registro base y registro límite
• dirección física = dirección virtual + registro base• Registro base es cargado por el SO después de cambio de
contexto, y entonces un proceso se va a ejecutar• Como se asegura la protección?
• Si (dirección física > base + limite) entonces error Ventajas
• Sencillo, cambio de contexto rápido Desventajas
• Fragmentación interna• Partición mas grande de lo necesario (sobra memoria que no
puede utilizar otro proceso)• Fragmentación externa
• Caso en que dos particiones disponibles pero ambas muy pequeñas para contener un proceso mas grande
• Tamaño de la partición (cuál debería ser?)
Particiones fijas
Partición 2
2K (tamaño P2)
offset
Base de P2: 6K
Registro límite
dirección virtualviene de CPU
Registro base
Si
No
Memoria física
Error dedireccionamiento
Partición 0
Partición 1
Partición 3
+<
0
2K
6K
8K
12K
Traducción con Particiones Variables
Memoria física es dividida en particiones variables Tamaño de particiones varía dinámicamente no
preestablecidas como en caso de particiones fijas Requerimientos Hardware: registros base y límite Dirección física = dirección virtual + registro base
• Registro límite se usa para protección• if (dirección física < registro limite) then
• dirección física = dirección virtual + registro base
• Else • Error de direccionamiento
• Registro base : contiene valor de la dirección física menor posible• Registro límite : contiene mayor rango de direcciones virtuales
Traducción con Particiones Variables
Partición 2
Tamaño de P2
offset
Registro límite
dirección virtualviene de CPU
Registro base
Si
No
Memoria física
Error dedireccionamiento
Partición 0
Partición 1
Partición 3
+<
Traducción con Particiones Variables cont
Ventajas• No hay fragmentación interna ( si sabemos
cuanto necesita proceso)
• Asignar partición solo lo suficiente para contener proceso
Problemas• Fragmentación externa
• a medida que procesos de distinto tamaño entran y salen van quedando porciones de memoria sin posibilidades de ser reutilizada
Qué hacer con fragmentación?
Swap out : Sacar programa de memoria
recargar programas alrededor poniedolos cercanos y generando huecos
No muy eficiente
partición 0
partición 1
partición 2
partición 3
partición 4
partición 0
partición 1
partición 2
partición 3
partición 4
Paginación (Técnica actual)
Para solucionar el problema de fragmentación externa dada con particiones variables. Usar particiones fijas en memoria virtual y física
Marco pág. 0
Marco pág. 1
Marco pág. N
Página 0
Página 1
Página N
Memoria Virtual
Memoria Física
Visión del usuario
Procesos ven memoria como un espacio contiguo de 0 a M
En realidad la memoria física esta desparramada Cada página virtual se mapea a una página real
(marco de página) que esta en cualquier parte en memoria física
Mapeo es invisible al programa Protección esta dada porque un programa no
puede referenciar memoria que esta fuera de su espacio de direccionamiento virtual Si dos procesos tienen la misma dirección virtual
su mapeo a memoria física es distinta para cada proceso
Paginación
Traduciendo direcciones virtuales Una dirección virtual tiene dos partes:
• Número de página virtual y offset Número de página virtual es un índice en tabla
de páginas Entrada en tabla de página contiene número de
marco de página Dirección física se traduce a:
• Número Marco de página:offset
Tablas de Páginas
Manejadas por el SO Mapea Número de Pagina Virtual a Número
de Marco de Página Número de Página Virtual es índice en la tabla Existe una Entrada en la Tabla de Páginas por
página en el espacio de direccionamiento virtual
• Normalmente denominada como PTE (Page Table Entry)
Ilustración Paginación
nmp
npv
dirección virtual
dirección física
Marco Pag 0
Marco Pag 1
Marco Pag 3
Marco Pag 4
Marco Pag N
.
.
.
offset
offset
nmp
npv: Num. página virtualnmp: Num. marco página
Marco Pág 2
Ejemplo de Paginación
Asumir direcciones de 32 bits Páginas de 4KB (4096 bytes, 212 bytes) Número de páginas virtuales de 20 bits, offset es
de 12 bits (220 posibles páginas virtuales) Traducir la dirección virtual 0x13325328
(representación Hexa) Número Página Virtual : 0x13325, offset 0x328 Asumir que en tabla de páginas, entrada
direccionada por 0x13325 es 0x03876 (Número de Marco de Página)
• 0x13325 se mapea a 0x03876 Dirección de memoria física : 0x03876328
Entradas de Tablas de Páginas (PTE)
Estructura de cada entrada en la tabla de páginas Usualmente mas que solo el número de marco de
página
1 1 1 2 20
V R M Prot Marco de pagina
V : Bit válido. indica si página es válidaR : Bit de Referencia se setea cuando página ha sido leída
o escritoM : Dirty bit, es seteado cuando la página ha sido escritaProt : Bits de protección de Lectura, Escritura, Ejecución
Ventajas de la Paginación
Fácil para asignar memoria física Memoria física se administra usando una lista de marcos
de páginas libres• Para asignar un marco de página, se saca de la lista
Fragmentación externa no es un problema• Cómo ?
Fácil quitarle páginas a programas Páginas son del mismo tamaño Uso de bit válido para saber que páginas ha perdido el
proceso Tamaño de páginas definido como múltiplos de tamaños
de bloques de disco
Desventajas de Paginación
Expone Fragmentación interna Proceso no puede usar memoria de marco de página
que le sobra a otro proceso Referencia a memoria en 2 pasos
• Tabla de página y luego Memoria• Solución, usar hardware como cache para acelerar
referencias : Translation Lookaside buffer (TLBs) Memoria requerida para mantener tablas de páginas
puede ser grande• Necesita una entrada en tabla de página por número
de página virtual
Desventajas de Paginación cont
Direccionamiento virtual de 32 bits, tamaño página de 4KB, entonces Se necesitan 220 entradas = 1.048.576 Entradas Si se tiene 4 bytes/Entrada, entonces se necesitan 4MB
por tabla de páginas• En general SO tiene tablas de páginas separadas por
proceso• Con 25 procesos en el sistema, entonces 100MB
en tablas de páginas Solución a este gran uso de memoria solo para tablas
de páginas Paginar las tablas de páginas
Segmentación
Paginación Vista de espacio de direccionamiento como arreglo de
bytes (lineal) Divide espacio en páginas de igual tamaño (ejemplo
4KB) Usa tabla de página para mapear páginas virtuales a
páginas físicas• Terminología
• Página : página virtual• Marco : página física
Segmentación Dividir el espacio de direccionamiento en unidades
lógicas• Stack, código, heap, datos, procedimientos
Una dirección virtual es [número segmento, offset]
Cuál es la idea?
Más lógico Cada segmento asociado con contenido
lógico Facilita compartición y reutilización
Un segmento es una unidad que se puede compartir
Extensión de la idea de particiones variables Un proceso utiliza un segmento (partición
variable) Con segmentación un proceso tiene asociado
un conjunto de segmentos
Soporte Hardware
Tabla de segmentos Múltiple pares de registros base/límite uno por
segmento Segmentos identificados por número de segmento
• Identificador se usa como índice a tabla de segmentos• Dirección virtual [num. segmento, offset]• Dirección física se obtiene sumando dirección base de
segmento + offset
Ilustración Segmentación
segment 0
segment 1
segment 2
segment 3
segment 4
Memoria física
Num.segmento
+
Dir virtual
<?
Error de protección
SI
offset
baselimit
Tabla de segmentos
offsetbase
Ventajas y Desventajas
Compartir: Más fácil y natural Problemas con fragmentación
asignación de memoria contigua cuales deben ser los tamaños de los
fragmentos para los diversos tipos de requerimientos en el sistema?
Qué hacer?
Combinar Segmentación con Paginación
Quienes Arquitectura x86 soporta los dos mecanismos
Usar segmentos para manejar unidades lógicas Segmentos de diversos tamaños en base a
páginas Usar páginas para particionar segmentos
• Cada segmento tiene propia tabla de páginas ( en lugar de una tabla de páginas por proceso de usuario)
• Luego asignación de memoria se simplifica a paginación
• Dirección virtual [num segmento, num página, offset]
Linux
Un segmento de código para kernel, un segmento para datos
Un segmento de código para usurio, un segmento para datos de usuario
N segmentos de estado para N tareas (almacena estado para cambio de contexto)
Una “tabla de segmentos de descriptores local” Todos los segmentos son paginados http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-
memmod/
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