Organização e Arquitetura de computadores
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- Yan Prado Maranhão
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1 Organização e Arquitetura de computadores Revisão: hierarquia de memória Utilização do conceito da localidade para apresentar ao usuário toda a quantidade de memória disponível no sistema processador 4-8 bytes (word) Suporte em hardware para memória virtual Tempo de acesso pelo processador L$ L2$ 8-32 bytes (block) Prof. Dr. Luciano José Senger to 4 blocks,24+ bytes (disk sector = page) Memória secundária Tamanho da memória disponível Memória Virtual Utilização da memória principal como cache para a memória secundária Permite o compartilhamento seguro e eficiente da memória entre vários programas Permite que programas que sejam maiores que a memória física instalada sejam executados Simplifica o carregamento de um programa em memória, através de um esquema de relocação de código (programas são compilados com endereços virtuais que podem ser mapeados em qualquer posição de memória) Princípio de localidade Um programa tende a utilizar uma porção pequena de seu espaço de endereçamento durante um período de tempo Cada programa écompilado com o seu próprio espaço de endereçamento espaço de endereçamento virtual Durante a execução cada endereço virtualdeve ser traduzido em um endereço físico(um endereço existente na memória principal) Dois programas compartilhando a memória O espaço de endereçamento do programa édividido em páginas (todas de tamanho fixo) ou segmentos (tamanhos variáveis) O endereço inicial de cada página (que estálocalizada ou na memória principal ou na memória secundária) estáregistrado na tabela de páginas do programa Programa Espaço de endereçamento virtual Programa 2 Espaço de endereçamento virtual Memória Virtual Um bloco de memória virtual échamado de página Uma falha de memória virtual échamada de falta de página (page fault) o processador produz um endereço virtual traduzido por uma combinação de hardware e software para um endereço físico: processo de mapeamento de endereço ou tradução de endereço Endereço virtual: número de página virtual + offsetde página O tamanho de página é igual a 2^2 = 4KB Número de páginas físicas permitidas na memória 2^8 = GB (2^8 x 2^2) Espaço de endereçamento virtual tem 4 GB (2^2 x 2^2) Memória virtual: como escolher os parâmetros? Escolhas de projeto são motivadas pelo alto custo de uma falha (falta de página) Milhões de ciclos de clock para ser processada: penalidade de falha elevada! Decisões importantes nos sistemas de memória virtual: As páginas devem ser grandes o suficiente para tentar amortizar o tempo de acesso Estações de trabalho ( 4KB, 6KB) e servidores (32KB, 64KB) Sistemas embutidos (KB) Organizações que reduzem a taxa de faltas de página são atraentes: a técnica principal usada épermitir o posicionamento totalmente associativo das páginas na memória As faltas de página podem ser tratadas em nível de software pois o overhead serápequeno se comparado ao alto tempo de acesso ao disco; reduções nas taxas de falhas compensam o custo dos algoritmos de gerenciamento O write-throughnão funcionarápara a memória virtual, visto que as escritas levam muito tempo; em vez disso, sistemas de memória virtual utilizam write-back
2 Tradução de endereços através s da tabela de páginasp Tradução de endereço Número da página virtual deslocamento Entrada é geralmente arredondada para 32 bits (bits adicionais de proteção) Página física Endereço base V da página física Tabela de páginas (reside na memória principal) offset Memória secundária Faltas de páginap Se o bit de validade para uma página virtual estiver desligado, ocorre uma falta de página: o sistema operacional necessita receber esse controle através do mecanismo de exceção. Quando o sistema operacional obtém o controle, ele necessita encontrar a página no próximo nível da hierarquia, geralmente o disco magnético e decidir onde colocar a página requisitada na memória principal (atividade de paginação) O endereço virtual por si sónão diz imediatamente onde estáa página no disco: o sistema operacional precisa monitorar o local no disco de cada página em um espaço de endereçamento virtual O sistema operacional cria um espaço no disco para todas as páginas de um processo no momento que o processo écriado, chamado de área de swap Énecessária uma estrutura auxiliar para registrar onde cada página estáarmazenada no disco; pode ser parte da tabela de páginas ou uma estrutura auxiliar indexada da mesma maneira como a tabela de páginas Fluxograma para uma falta de páginap 2
3 Como escolher qual página p substituir O sistema operacional cria uma estrutura de dados que controla quais processos e quais endereços virtuais usam cada página física Quando ocorre uma falha, se todas as páginas na memória principal estiverem em uso, o sistema operacional precisa escolher uma página para substituir Algoritmo LRU (last recently used) Os sistemas operacionais monitoram as páginas e atualizam o bit e referência ou bit de uso, que éligado sempre que uma página é acessada Tamanho da tabela de páginasp Com um endereço virtual de 32 bits, página de 4KB e 4 bytes por entrada da tabela de página, podemos calcular o tamanho total da tabela de páginas: 2^32/2^2 = 2^2 = número de entradas na tabela de páginas Tamanho = 2^2 x 4 = 4 MB da memória para cada processo! Como reduzir a quantidade de armazenamento Manter registrador limite: se o número de página virtual for maior que o registrador limite, entradas precisam ser incluídas na tabela de páginas Permitir o crescimento em duas direções (p.e. pilha) Duas tabelas de páginas separadas e dois limites Divide o espaço de endereçamento em dois segmentos Função de hashing no endereço virtual de modo que a tabela necessita armazenar apenas o conjunto de páginas físicas na memória principal: tabela de páginas invertida Múltiplos níveis de tabelas de páginas Primeiro nível mapeia grandes blocos de tamanho fixo (as vezes chamado de tabela de segmentos) Parte mais significativa do endereço endereça o primeiro nível; os demais bits endereçam o segundo nível Sistemas operacionais permitem que as tabelas de página sejam também paginadas, como uma forma de reduzir a memória principal consumida pelas tabelas de página Múltiplos níveis n de páginas: p x86 E quanto às s escritas? Sistemas de memória virtual precisam utilizar write-back Esquema com buffer de escrita seria ineficiente, pois a diferença entre o tempo de acesso entre memória e disco émuito grande A técnica de cópia ao nível inferior da hierarquia échamada de copy-back Éimportante notar que o tempo de transferência épequeno comparado ao tempo de acesso, copiar wordsindividuais émuito mais caro que transferir páginas completas Para monitorar se uma página foi escrita desde que foi lida da memória, um bit de modificação(dirty bit) éacrescentado a tabela de páginas. tal bit émarcado com quando qualquer wordna página éalterada Se o sistema operacional decidir substituir a página, o bit de modificação indica se a página precisar ser escrita no disco antes que seu local de memória possa ser cedido a outra página 3
4 Tomando a tradução de endereços mais rápida: r a TLB Como as tabelas de páginas são armazenadas na memória principal, cada acesso àmemória por um programa pode levar, no mínimo, o dobro do tempo: Um acesso para obter o endereço físico e um acesso para obter os dados Quando uma tradução para uma página érealizada, possivelmente essa tradução serárepetida em um futuro próximo (localidade) Processadores modernos incluem uma cache especial que controla as traduções usadas recentemente: TLB (translation-lookaside buffer) Cache que monitora os mapeamentos de endereços recentemente usados para evitar acessos à tabela de páginas Tomando a tradução de endereços mais rápida: r a TLB Virtual page # V V Physical page base addr Tag Page Table (in physical memory) TLB Physical page base addr Valores comuns: Tamanho: 6 a 52 entradas Tamanho do bloco: a 2 entradas Tempo de acerto:,5 a ciclo Penalidade: a ciclos Taxa de falhas, a % Main memory Disk storage A TLB do Intrisity Fast Math Páginas de 4KB e espaço de endereçamento de 32 bits Número de página virtual com 2 bits de largura Tamanho do endereço físico igual ao endereço virtual TLB com 6 entradas, totalmente associativa e é compartilhada entre as referências de instruções e dados 4
5 AMD Phenom AMD Phenom Cache L Split cache 64KB x 2, tamanho da linha igual a 64 Bytes, associativa de duas vias, individual por núcleo Cache L2 Cache exclusiva, 52KB, associativa de 6 vias Cache L3 Compartilhada entre os núcleos 2MB, associativa de 32 vias Leituras recomendadas Patterson, David A. e Hennessy, John L. Organização e Projeto de Computadores: A Interface Hardware/Software. Ed. LTC, 272. Ed., 24, Rio de Janeiro. Capítulo 7 5
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