Arquitectura de Computadores (ACom)
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- Gabriella de Sequeira Valgueiro
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1 Arquitectura de Computadores (ACom) MEAer Acetatos das Aulas Teóricas Versão Português Aula N o 23: Título: Sumário: Memória paginada; Tabela de páginas; Tabela de páginas hierárquica. 2014/2015 Nuno.Roma@tecnico.ulisboa.pt
2 Arquitectura de Computadores (ACom) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 1 / 41 Aula Anterior Na aula anterior... Memória Cache: Mapeamento da cache Organização da cache por blocos Poĺıtica de substituição Tratamento das operações de escrita Bits de controlo Caches multi-nível Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 2 / 41
3 Road Map Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 3 / 41 Planeamento Planeamento Semana Teórica 1 Teórica 2 Problemas (P) / Laboratório (L) 16-fev a 20-fev 23-fev a 27-fev 02-mar a 06-mar 09-mar a 13-mar CARNAVAL Apresentação da cadeira; Introdução P0: Revisões SD Instruções Assembly; Operandos e modos de endereçamento; Processador P3 L1: Modos de endereçamento Operações lógicas e aritméticas ISA do P3 P1: Assembly do P3 Periféricos do P3; Interrupções econtagemdo tempo no P3 Operandos; Pilha; Instruções de acesso à memória; Codificação das instruções. Traduçãode linguagemdealtonívelpara Assembly L2: Instruções Aritméticas e Salto 16-mar a 20-mar 23-mar a 27-mar 30-mar a 03-abr 06-abr a 10-abr Técnicas de programação em Assembly Geração do código objecto. L3: Rotinas; Passagem parâmetros Estrutura de um processador Unidade de processamento Unidade de controlo PÁSCOA PÁSCOA PÁSCOA Controlo microprogramado; Organização interna do P3: circuito de dados P2: Interrupções; Codificação de Instruções L4: IO; Interrupções 13-abr a 17-abr 20-abr a 24-abr 27-abr a 01-mai Organização interna do P3: circuito de controlo Organização interna do P3: microprogramação Família Intel x86; Arquitecturas de processadores em pipeline Dependências dados e de controlo; Conflitos Arquitecturas de processadores em pipeline; Dependências Tópicos avançados de arquitectura de computadores P3: Micro-programação L5: Micro-programação L6: Arduino 04-mai a 08-mai 11-mai a 15-mai 18-mai a 22-mai 25-mai a 29-mai Sistema de memória Memórias cache: políticas de substituição L7: Pipelines Memórias cache: políticas deescrita Memória virtual: TLB Memória virtual: definições, tabela de páginas hierárquica Espaços de endereçamento: memória e entradas/saídas P4: Pipeline; Caches L8: Caches Modos de transferência de dados DMA e Processadores IO P5: Mem. Virtual; Comunicação; IO. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 4 / 41
4 Sumário Hoje: Bibliografia: Secções 13.2 e 13.4 Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 5 / 41 Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 6 / 41
5 Memória Ideal Características desejáveis para a memória ideal : Barata Grande capacidade Rápida (tempo de acesso reduzido) Largura de banda elevada Como o custo por bit e a velocidade de funcionamento estão inversamente relacionados, a solução passa pelo uso de diversos tipos de memória, com diferentes velocidades de acesso: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 7 / 41 Características dos Níveis de Memória Nível Nome registos cache memória disco Capacidade < 1kB < 16MB < 16GB > 100GB Tecnologia CMOS CMOS SRAM CMOS DRAM disco magnético Acesso (ns) 0,25-0,5 0, Preço (e/mb) 3 0,03 0,0003 A situação ideal corresponde a ter a maior quantidade de memória disponível possível a funcionar à velocidade mais rápida possível O sistema de memória está estruturado por forma a que os dados e instruções mais comummente utilizados estejam em memórias mais rápidas e próximas do processador Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 8 / 41
6 : Extensão do espaço de endereçamento: Permite estender o espaço de endereçamento do processador para além da quantidade de memória primária (RAM) instalada no sistema, tomando partido dos dispositivos de memória secundária (discos rígidos); Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 9 / 41 : Extensão do espaço de endereçamento: Permite estender o espaço de endereçamento do processador para além da quantidade de memória primária (RAM) instalada no sistema, tomando partido dos dispositivos de memória secundária (discos rígidos); Separação e protecção do espaço de endereçamento: Permite conferir a cada programa (processo) em execução um espaço de endereçamento próprio e independente do espaço de endereçamento visto por qualquer outro programa, facilitando a gestão da memória atribuída aos vários programas e garantindo um maior nível de segurança. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 9 / 41
7 : Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 10 / 41 : Extensão do espaço de endereçamento Separação e protecção do espaço de endereçamento Como? Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 11 / 41
8 : Extensão do espaço de endereçamento Separação e protecção do espaço de endereçamento Como? Todos os acessos feitos pelo processador à memória são feitos com endereços virtuais, sendo necessário, à posteriori, traduzir estes endereços virtuais para endereços físicos através da: Unidade de Gestão de Memória (UGM) ou Memory Management Unit (MMU) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 11 / 41 Unidade de Gestão de Memória (UGM) Função da Unidade de Gestão de Memória (UGM): 1. O processador coloca no barramento de endereços o endereço virtual onde pretende aceder; 2. A UGM traduz este endereço para um endereço físico; 3. É realizado um acesso à cache para testar se este endereço físico lá se encontra Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 12 / 41
9 Unidade de Gestão de Memória (UGM) Função da Unidade de Gestão de Memória (UGM): 1. O processador coloca no barramento de endereços o endereço virtual onde pretende aceder; 2. A UGM traduz este endereço para um endereço físico; 3. É realizado um acesso à cache para testar se este endereço físico lá se encontra: SIM - NÃO - os dados são entregues ao processador e o acesso termina; é realizado um acesso ao nível seguinte da hierarquia de memória (memória primária ou secundária). Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 12 / 41 Como o espaço virtual é muito maior do que o espaço físico, nem todas as posições de memória virtuais terão um correspondente endereço físico Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 13 / 41
10 Como o espaço virtual é muito maior do que o espaço físico, nem todas as posições de memória virtuais terão um correspondente endereço físico É necessário fazer um acesso ao disco - local onde se encontra armazenado o espaço de endereçamento virtual que não cabe em memória primária. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 13 / 41 Como o espaço virtual é muito maior do que o espaço físico, nem todas as posições de memória virtuais terão um correspondente endereço físico É necessário fazer um acesso ao disco - local onde se encontra armazenado o espaço de endereçamento virtual que não cabe em memória primária. Problema: Carregamento de uma posição de memória secundária para memória primária é muito pesado... Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 13 / 41
11 Como o espaço virtual é muito maior do que o espaço físico, nem todas as posições de memória virtuais terão um correspondente endereço físico É necessário fazer um acesso ao disco - local onde se encontra armazenado o espaço de endereçamento virtual que não cabe em memória primária. Problema: Carregamento de uma posição de memória secundária para memória primária é muito pesado... Solução: Carregar logo um bloco de posições de memória! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 13 / 41 Como o espaço virtual é muito maior do que o espaço físico, nem todas as posições de memória virtuais terão um correspondente endereço físico É necessário fazer um acesso ao disco - local onde se encontra armazenado o espaço de endereçamento virtual que não cabe em memória primária. Problema: Carregamento de uma posição de memória secundária para memória primária é muito pesado... Solução: Carregar logo um bloco de posições de memória! Assim... A memória primária passa a funcionar como que uma cache do espaço de endereçamento virtual... Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 13 / 41
12 Como o espaço virtual é muito maior do que o espaço físico, nem todas as posições de memória virtuais terão um correspondente endereço físico É necessário fazer um acesso ao disco - local onde se encontra armazenado o espaço de endereçamento virtual que não cabe em memória primária. Problema: Carregamento de uma posição de memória secundária para memória primária é muito pesado... Solução: Carregar logo um bloco de posições de memória! Assim... A memória primária passa a funcionar como que uma cache do espaço de endereçamento virtual... Mas... a taxa de faltas nos acessos a posições de memória virtuais é muito baixa (ex: 0,0001%) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 13 / 41 Exemplo: t cache = 2ns t RAM = 70ns t disco = 10ms = 10 7 ns p cache p virtual m m = 5% = 0, 0001% = 10 6 Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 14 / 41
13 Exemplo: t cache = 2ns t RAM = 70ns t disco = 10ms = 10 7 ns p cache p virtual m m = 5% = 0, 0001% = 10 6 Tempo médio de acesso: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 14 / 41 Exemplo: t cache = 2ns t RAM = 70ns t disco = 10ms = 10 7 ns p cache p virtual m m = 5% = 0, 0001% = 10 6 Tempo médio de acesso: t acesso = 2 + 0, 05 (70 + 0, ) = 6ns Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 14 / 41
14 Exemplo: t cache = 2ns t RAM = 70ns t disco = 10ms = 10 7 ns p cache p virtual m m = 5% = 0, 0001% = 10 6 Tempo médio de acesso: t acesso = 2 + 0, 05 (70 + 0, ) = 6ns Assim... a grande penalidade dos acessos ao disco é diluída pelo baixo número de acessos a ele! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 14 / 41 Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 15 / 41
15 A memória está dividida em blocos de tamanho fixo, chamados páginas (cada programa utiliza um conjunto de páginas) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 16 / 41 A memória está dividida em blocos de tamanho fixo, chamados páginas (cada programa utiliza um conjunto de páginas) Em geral, a dim(página) dim(bloco cache), em que 1k < dim(página) < 16k Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 16 / 41
16 A memória está dividida em blocos de tamanho fixo, chamados páginas (cada programa utiliza um conjunto de páginas) Em geral, a dim(página) dim(bloco cache), em que 1k < dim(página) < 16k Porquê? Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 16 / 41 A memória está dividida em blocos de tamanho fixo, chamados páginas (cada programa utiliza um conjunto de páginas) Em geral, a dim(página) dim(bloco cache), em que 1k < dim(página) < 16k Porquê? Porque a transferência de dados entre a memória secundária e a memória primária incorre numa penalização muito maior (dezenas de ms) do que a transferência entre a memória primária e a cache (dezenas de ns) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 16 / 41
17 A memória está dividida em blocos de tamanho fixo, chamados páginas (cada programa utiliza um conjunto de páginas) Em geral, a dim(página) dim(bloco cache), em que 1k < dim(página) < 16k Porquê? Porque a transferência de dados entre a memória secundária e a memória primária incorre numa penalização muito maior (dezenas de ms) do que a transferência entre a memória primária e a cache (dezenas de ns) Page Fault: ocorre sempre que é feito o acesso a um endereço virtual cuja página não se encontra em memória principal Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 16 / 41 A memória está dividida em blocos de tamanho fixo, chamados páginas (cada programa utiliza um conjunto de páginas) Em geral, a dim(página) dim(bloco cache), em que 1k < dim(página) < 16k Porquê? Porque a transferência de dados entre a memória secundária e a memória primária incorre numa penalização muito maior (dezenas de ms) do que a transferência entre a memória primária e a cache (dezenas de ns) Page Fault: ocorre sempre que é feito o acesso a um endereço virtual cuja página não se encontra em memória principal O processador comuta para outra tarefa... Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 16 / 41
18 A UGM gere uma que mantém, para cada página, informação sobre: Índice da página virtual Índice da página física Protecção Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 17 / 41 A UGM gere uma que mantém, para cada página, informação sobre: Índice da página virtual Índice da página física Protecção As entradas nesta tabela chamam-se Descritores de Página (page table entry, PTE) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 17 / 41
19 A UGM gere uma que mantém, para cada página, informação sobre: Índice da página virtual Índice da página física Protecção As entradas nesta tabela chamam-se Descritores de Página (page table entry, PTE) Uma página não presente em memória primária tem um descritor de página inválido, causando uma falta de página (page fault) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 17 / 41 A UGM gere uma que mantém, para cada página, informação sobre: Índice da página virtual Índice da página física Protecção As entradas nesta tabela chamam-se Descritores de Página (page table entry, PTE) Uma página não presente em memória primária tem um descritor de página inválido, causando uma falta de página (page fault) O endereço virtual é interpretado como: índice da página virtual deslocamento Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 17 / 41
20 Tradução de endereços virtuais em endereços físicos: : Plana; ; Translation Look-Aside Buffer (TLB) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 18 / 41 Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 19 / 41
21 Como as páginas têm a mesma dimensão em ambos os espaços de endereçamento, o deslocamento dentro da página é igual no endereço físico e no endereço virtual: Endereço Virtual: N o de Página Virtual Deslocamento Endereço Físico: N o de Página Física Deslocamento A tradução de endereços virtuais para físicos consiste em traduzir o n o da página virtual para um n o de página física. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 20 / 41 Plana Plana: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 21 / 41
22 Plana Plana: N o entradas = N o páginas virtuais Cada entrada contém um Descritor de Página: Endereço físico da página; ou Informação que permite localizar a página no disco Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 22 / 41 Plana Plana: Em caso de page fault, é chamada uma sub-rotina do sistema operativo para copiar a página para memória principal Problema: funciona bem apenas quando o espaço de endereçamento virtual não é muito grande. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 22 / 41
23 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 23 / 41 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 2 32 /2 12 = 2 20 páginas virtuais (1M) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 24 / 41
24 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 2 32 /2 12 = 2 20 páginas virtuais (1M) Tabela de páginas tem de ter 2 20 entradas!!! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 24 / 41 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 2 32 /2 12 = 2 20 páginas virtuais (1M) Tabela de páginas tem de ter 2 20 entradas!!! 2 28 /2 12 = 2 16 páginas físicas Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 24 / 41
25 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 2 32 /2 12 = 2 20 páginas virtuais (1M) Tabela de páginas tem de ter 2 20 entradas!!! 2 28 /2 12 = 2 16 páginas físicas Cada entrada tem de guardar 16 bits (2 Bytes) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 24 / 41 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 2 32 /2 12 = 2 20 páginas virtuais (1M) Tabela de páginas tem de ter 2 20 entradas!!! 2 28 /2 12 = 2 16 páginas físicas Cada entrada tem de guardar 16 bits (2 Bytes) Tabela de páginas ocupa 2 MBytes!!! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 24 / 41
26 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 2 32 /2 12 = 2 20 páginas virtuais (1M) Tabela de páginas tem de ter 2 20 entradas!!! 2 28 /2 12 = 2 16 páginas físicas Cada entrada tem de guardar 16 bits (2 Bytes) Tabela de páginas ocupa 2 MBytes!!! Utilização muito ineficiente de recursos!!! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 24 / 41 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 2 32 /2 12 = 2 20 páginas virtuais (1M) Tabela de páginas tem de ter 2 20 entradas!!! 2 28 /2 12 = 2 16 páginas físicas Cada entrada tem de guardar 16 bits (2 Bytes) Tabela de páginas ocupa 2 MBytes!!! Utilização muito ineficiente de recursos!!! Tem de estar sempre em memória principal!!! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 24 / 41
27 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 25 / 41 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 26 / 41
28 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Bloco: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 26 / 41 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Bloco: página Dimensão: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 26 / 41
29 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Bloco: página Dimensão: pretende-se grande por ser mais eficiente em termos de acesso ao disco (também diminui dimensão das tabelas de tradução). No entanto, quanto maior for, maior o potencial desperdício (em média, 50% do tamanho da página). Valores típicos são entre 1k e 16k octetos. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 26 / 41 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Bloco: página Dimensão: pretende-se grande por ser mais eficiente em termos de acesso ao disco (também diminui dimensão das tabelas de tradução). No entanto, quanto maior for, maior o potencial desperdício (em média, 50% do tamanho da página). Valores típicos são entre 1k e 16k octetos. Onde pode ser colocado um bloco em memória (isto é, associatividade)? Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 26 / 41
30 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Bloco: página Dimensão: pretende-se grande por ser mais eficiente em termos de acesso ao disco (também diminui dimensão das tabelas de tradução). No entanto, quanto maior for, maior o potencial desperdício (em média, 50% do tamanho da página). Valores típicos são entre 1k e 16k octetos. Onde pode ser colocado um bloco em memória (isto é, associatividade)? Em qualquer lugar da memória completamente associativa Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 26 / 41 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Poĺıtica de substituição: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 27 / 41
31 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Poĺıtica de substituição: LRU (ou aproximação) gerida por software (SO), permitindo maior sofistificação. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 27 / 41 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Poĺıtica de substituição: LRU (ou aproximação) gerida por software (SO), permitindo maior sofistificação. Eventual problema... Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 27 / 41
32 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Poĺıtica de substituição: LRU (ou aproximação) gerida por software (SO), permitindo maior sofistificação. Eventual problema...thrashing: Um programa utiliza, de uma forma contínua e intensa, uma quantidade de memória muito superior ao disponível; É necessário enviar continuamente páginas de memória para o disco e vice-versa; O computador passa a maior parte do tempo (às vezes 99%) a gerir o sistema de memória virtual; Aparente bloqueio do sistema! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 27 / 41 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Poĺıtica de escrita: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 28 / 41
33 Cache-M.Primária vs M.Primária-M.Secundária Tal como a cache tem um sub-conjunto das posições da memória primária, a memória primária tem um sub-conjunto das posições da memória virtual: Poĺıtica de escrita: Em geral, do tipo write-back - write-allocate: Implica a utilização de um dirty-bit que indica se essa página foi alterada em memória ou não; Poĺıticas do tipo write-through não são, em geral, realizáveis devido à penalidade demasiado grande no acesso ao disco Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 28 / 41 Bits de Controlo Bits de Controlo - Presentes nos descritores de páginas, em conjunto com o respectivo endereço físico: Valid: indica se o endereço físico é válido. Caso não seja, isso significa que a página está em disco e que terá de ser carregada para memória principal antes de o seu conteúdo ser utilizado pelo processador. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 29 / 41
34 Bits de Controlo Bits de Controlo - Presentes nos descritores de páginas, em conjunto com o respectivo endereço físico: Valid: indica se o endereço físico é válido. Caso não seja, isso significa que a página está em disco e que terá de ser carregada para memória principal antes de o seu conteúdo ser utilizado pelo processador. Dirty: indica que a página foi alterada enquanto esteve na memória, devendo ser copiada para o disco quando for substituída. Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 29 / 41 Bits de Controlo Bits de Controlo - Presentes nos descritores de páginas, em conjunto com o respectivo endereço físico: Valid: indica se o endereço físico é válido. Caso não seja, isso significa que a página está em disco e que terá de ser carregada para memória principal antes de o seu conteúdo ser utilizado pelo processador. Dirty: indica que a página foi alterada enquanto esteve na memória, devendo ser copiada para o disco quando for substituída. R/W: indica se a página pode ser escrita ou se é só de leitura. Pode existir para vários tipos de utilizador (system/user). Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 29 / 41
35 Bits de Controlo Bits de Controlo - Presentes nos descritores de páginas, em conjunto com o respectivo endereço físico: Valid: indica se o endereço físico é válido. Caso não seja, isso significa que a página está em disco e que terá de ser carregada para memória principal antes de o seu conteúdo ser utilizado pelo processador. Dirty: indica que a página foi alterada enquanto esteve na memória, devendo ser copiada para o disco quando for substituída. R/W: indica se a página pode ser escrita ou se é só de leitura. Pode existir para vários tipos de utilizador (system/user). Accessed: indica que esta página foi acedida recentemente (com vista a implementar a poĺıtica LRU). Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 29 / 41 Dimensão da Um dos problemas do sistema de paginação é a dimensão da tabela de páginas requerida para a tradução de endereços Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 30 / 41
36 Dimensão da Um dos problemas do sistema de paginação é a dimensão da tabela de páginas requerida para a tradução de endereços Esta tem que ser alocada numa região contígua de memória física Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 30 / 41 Dimensão da Um dos problemas do sistema de paginação é a dimensão da tabela de páginas requerida para a tradução de endereços Esta tem que ser alocada numa região contígua de memória física Exemplo: espaço virtual de 2 32 octetos e páginas de 4k octetos Tabela com 2 21 entradas (2M octetos)!!! Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 30 / 41
37 Dimensão da Um dos problemas do sistema de paginação é a dimensão da tabela de páginas requerida para a tradução de endereços Esta tem que ser alocada numa região contígua de memória física Exemplo: espaço virtual de 2 32 octetos e páginas de 4k octetos Tabela com 2 21 entradas (2M octetos)!!! SOLUÇÃO: Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 30 / 41 Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 31 / 41
38 Uma solução para o problema é realizar a tradução por uma hierarquia de tabelas de tradução Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 32 / 41 Uma solução para o problema é realizar a tradução por uma hierarquia de tabelas de tradução Endereço virtual interpretado como: índice nível 1 índice nível 2 índice nível n deslocamento Directório Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 32 / 41
39 Uma solução para o problema é realizar a tradução por uma hierarquia de tabelas de tradução Endereço virtual interpretado como: índice nível 1 índice nível 2 índice nível n deslocamento Directório O primeiro nível da tabela de páginas é constituído por uma única tabela, denominada de Directório Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 32 / 41 Uma solução para o problema é realizar a tradução por uma hierarquia de tabelas de tradução Endereço virtual interpretado como: índice nível 1 índice nível 2 índice nível n deslocamento Directório O primeiro nível da tabela de páginas é constituído por uma única tabela, denominada de Directório O directório contém referências para tabelas de nível seguinte que contêm, essas sim, os endereços físicos das páginas Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 32 / 41
40 Endereço Virtual: Índice no Directório Índice na Tabela Deslocamento Endereço Físico: N o de Página Física Deslocamento Dois acessos à memória para fazer a tradução: 1. Leitura da entrada na tabela correspondente ao directório; 2. Leitura do endereço físico na tabela de 2 o nível apontada no directório. Vantagens: as tabelas de 2 o nível apenas precisam de estar presentes em memória quando as correspondentes páginas estão a ser utilizadas Desvantagens: o acesso aos dados é um pouco mais lento Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 33 / 41 Endereço Virtual: Índice no Directório Índice na Tabela Deslocamento Endereço Físico: N o de Página Física Deslocamento Conclusão: apenas o directório precisa de estar sempre em memória - as tabelas de níveis superiores podem ficar em disco! Tabelas de páginas com a mesma dimensão que as páginas Apenas em memória primária as necessárias Apenas se instanciam as tabelas necessárias Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 33 / 41
41 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 34 / 41 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 12 bits de Deslocamento 20 bits para N o Página Virtual Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 34 / 41
42 Exemplo: Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 12 bits de Deslocamento 20 bits para N o Página Virtual: Índice no directório = 10 bits Índice na tabela = 10 bits Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 34 / 41 Exemplo (cont.): Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 35 / 41
43 Exemplo (cont.): Espaço de endereçamento virtual = 4 GBytes (2 32 ) Espaço de endereçamento físico = 256 MBytes (2 28 ) Dimensão da página = 4 kbytes (2 12 ) 12 bits de Deslocamento 20 bits para N o Página Virtual: Índice no directório = 10 bits Índice na tabela = 10 bits Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 36 / 41 Exemplo (cont.): O programa em execução utiliza apenas 6MB, contíguos em memória virtual, a partir do endereço h Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 37 / 41
44 Exemplo (cont.): O programa em execução utiliza apenas 6MB, contíguos em memória virtual, a partir do endereço h /2 12 = 1, páginas de memória 2 primeiras tabelas de 2 o nível É apenas necessário guardar em memória: Tabela de nível 1 (directório) 2 10 entradas 2 tabelas de nível entradas Como cada entrada corresponde a 16 bits (2 Bytes): É necessário ter em memória = 6 kbytes, em vez dos 2 MBytes necessários quando se utiliza uma tabela plana Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 37 / 41 Na prática... podem ser utilizadas tabelas de páginas com mais níveis, o que permite espaços de endereçamento virtual de grande dimensão: - 1 campo para o directório - n níveis intermédios - 1 campo para o deslocamento Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 38 / 41
45 Na prática... podem ser utilizadas tabelas de páginas com mais níveis, o que permite espaços de endereçamento virtual de grande dimensão: - 1 campo para o directório - n níveis intermédios - 1 campo para o deslocamento Em geral, 3 níveis de tabelas são suficientes Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 38 / 41 Na prática... podem ser utilizadas tabelas de páginas com mais níveis, o que permite espaços de endereçamento virtual de grande dimensão: - 1 campo para o directório - n níveis intermédios - 1 campo para o deslocamento Em geral, 3 níveis de tabelas são suficientes À excepção do directório, as tabelas de páginas têm a mesma dimensão de uma página; Tabelas que não estão a ser utilizadas podem ser guardadas em disco Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 38 / 41
46 Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 39 / 41 Translation Lookaside Buffer (TLB) Interligação - Caches Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 40 / 41
47 Nota de Agradecimento Agradecimento Algumas páginas desta apresentação foram extraidas de: [1] José Carlos Monteiro, Arquitectura de Computadores, Instituto Superior Técnico (IST), Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 41 / 41
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