Capítulo 8: Memória Principal. Operating System Concepts 8th Edition

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1 Capítulo 8: Memória Principal

2 Capítulo 8: Gerenciamento de memória Fundamentos Troca de processos (Swapping) Alocação de memória contígua Segmentação Paginação Estrutura da tabela de páginas Exemplo: Arquiteturas Intel 32 and 64-bits Architectures Exemplo: Arquitetura ARM 8.2

3 Objetivos Fornecer uma descrição detalhada de várias maneiras de organizar a memória doc omputador Discutir várias técnicas de gerenciamento de memória, incluindo paginação e segmentação Fornecer uma descrição detalhada do Intel Pentium, que suporta segmentação pura e segmentação com paginação 8.3

4 Fundamentos O programa deve ser trazido (do disco) para a memória e colocado dentro de um processo para ser executado A memória principal e os registradores são os únicos meios de armazenamento que a CPU pode acessar diretamente A unidade de memória só vê um fluxo de endereços + solicitações de leitura ou endereço + dados e solicitações de gravação O acesso ao registrador ocorre em um clock de CPU (ou menos) A memória principal pode levar muitos ciclos, causando uma parada (stall) A memória cache fica entre a memória principal e os registradores da CPU Uma proteção da memória é necessária para garantir o funcionamento correto das operações do sistema 8.4

5 Os registradores Base e Limite Um par de registradores base e limite definem o espaço de endereçamento lógico A CPU deve checar todo acesso de memória gerado no modo usuário para ter certeza que está entre a base e o limite para esse usuário 8.5

6 Hardware para a proteção do endereço 8.6

7 Vinculação de endereços Programas em disco, prontos para serem trazidos para a memória para serem executados, formam uma fila de entrada Os endereços são representados de maneiras diferentes em diferentes estágios da vida de um programa: Endereços de código fonte são geralmente simbólicos Endereços de código compilados vinculam-se a endereços relocáveis O ligador (linker) ou o carregador (loader) vinculará endereços relocáveis a endereços absolutos ou seja, 14 bytes a partir do início deste módulo ou seja, Cada vinculação mapeia um espaço de endereçamento para outro 8.7

8 Vinculação de instruções e dados a endereços de memória A vinculação (atribuição) de a instruções e dados para endereços de memória pode acontecer em três fases diferentes: Tempo de compilação: Se a localização da memória for conhecida a priori, o código absoluto pode ser gerado; deve recompilar o código se a posição inicial mudar. Tempo de carga: deve gerar código relocável se o local da memória não for conhecido em tempo de compilação. Tempo de execução: a vinculação (atribuição) é deixada para ser feita somente em tempo de execução se o processo pode se mover durante sua execução de um segmento de memória para outro. Precisa de suporte de hardware para mapeamento de endereços (ex.: registradores base e limite). 8.8

9 Multistep Processing of a User Program 8.9

10 Espaço de Endereçamento Lógico vs. Físico O conceito de um espaço de endereçamento lógico que é vinculado a um espaço de endereçamento físico separado é fundamental para o gerenciamento adequado da memória Endereço lógico gerado pela CPU; também conhecido como endereço virtual Endereço físico endereço visto pela unidade de memória Endereços lógicos e físicos são os mesmos em esquemas de tempo de compilação e de endereçamento de carga; endereços lógicos (virtuais) e físicos diferem no esquema de vinculação de endereço de tempo de execução Espaço de endereço lógico é o conjunto de todos os endereços lógicos gerados por um programa Espaço de endereço físico é o conjunto de todos os endereços físicos gerados por um programa 8.10

11 Unidade de Geranciamento de Memória (MMU) Em inglês é Memory Management Unit (MMU) Dispositivo de hardware que, em tempo de execução, mapeia o endereço virtual para o físico Pode ser utilizado com vários métodos Para começar, considere um esquema simples em que o valor no registrador de realocação é adicionado a cada endereço gerado por um processo do usuário no momento em que é enviado à memória. O registrador base agora é chamado de registro de relocação O MS-DOS no Intel 80x86 usava 4 registradores de relocação O programa do usuário lida com endereços lógicos; nunca vê os endereços físicos reais A ligação em tempo de execução ocorre quando é feita referência à localização na memória O endereço lógico é vinculado a endereços físicos 8.11

12 Relocação Dinâmica usando um registrador de relocação 8.12

13 Carga Dinâmica A rotina não é carregada até ser chamada Melhor utilização do espaço de memória; rotina não utilizada nunca é carregada Todas as rotinas são mantidas em disco no formato de carga realocável Útil quando grandes quantidades de código são necessárias para lidar com casos que ocorrem com pouca frequência Não é necessário suporte especial do sistema operacional Implementado através do design do programa O sistema operacional pode ajudar fornecendo bibliotecas para implementar o carregamento dinâmico 8.13

14 Ligação dinâmica Ligação estática as bibliotecas do sistema e o código do programa são combinados pelo carregador dentro da imagem do programa binário Ligação dinâmica A Ligação (linking) é postergada até o momento da execução. Pequenas porções de código, stub, usado para localizar a rotina apropriada da biblioteca residente na memória Stub sobrepõe ele mesmo com o endereço da rotina e executa a rotina O sistema operacional verifica se a rotina está no endereço de memória dos processos Se não estiver no espaço de endereçamento, adiciona ao espaço de endereçamento A ligação dinâmica é particularmente útil para bibliotecas Sistema também conhecido como bibliotecas compatilhadas Considere a aplicabilidade para corrigir bibliotecas do sistema Versionamento pode ser necesário e útil 8.14

15 Swapping Um processo pode ser transferido (swapped) temporariamente da memória principal para uma memória secundária (backing store), para depois ser transferido de volta à memória principal, a fim de que a execução do processo continue. O espaço total da memória física dos processos pode exceder a memória física. Memória Secundária disco rápido grande o suficiente para acomodar copias de todas as imagens da memória principal para todos os usuários; deve prover acesso direto as imagens da memória. Roll out, roll in variação da política de troca de processos usada para algoritmos de escalonamento baseados em prioridade; Processo de baixa prioridade é transferido para a memória secundária para um processo de prioridade mais alta ser carregado e executado. Maior parte do tempo de troca de processos é tempo de transferência; tempo total de transferência é diretamente proporcional a quantidade de memória transferida. Sistemas mantém uma ready queue (fila de processos prontos) de processos prontos que mantém imagens no disco 8.15

16 Swapping (Cont.) O processo que sofreu swap precisa voltar para os mesmos endereços físicos? Depende do método de ligação de endereços Além disso, considere E/S pendente de/para o espaço de memória do processo Versões modificadas de swap são encontradas em muitos sistemas (por exemplo, UNIX, Linux e Windows) Trocar normalmente desabilitado Iniciado se mais do que a quantidade limite de memória estiver alocada Desativado novamente assim que a demanda de memória for reduzida abaixo do limite 8.16

17 Visão esquemática de Swapping 8.17

18 Tempo da troca de contexto com Swapping Se o próximo processo a ser colocado na CPU não está dentro da memória, é necessário adicionar um processo na swap (swap out) e trazer o processo alvo da swap (swap in) O tempo da troca de contexto pode ser bem grande Um processo de 100MB ao ser transferido para a swap em disco rígido com a taxa de transferência de 50MB/sec Tempo de Swap out: 2000 ms Adicionado ao swap in de um processo de mesmo tamanho Tempo da troca de contexto total com swap: 4000ms (4 seconds) Pode reduzir o tempo se reduzir o tamanho da memória trocada ao saber o quanto de memória realmente está sendo usada Existem chamadas de sistema para informar o SO o uso de memória via request_memory() e release_memory() 8.18

19 Context Switch Time and Swapping (Cont.) Outras restrições no swapping E/S pendente não é possível trocar pois a E/S pode ocorrer em um processo incorreto Ou sempre transferir E/S para o espaço do kernel e, em seguida, para o dispositivo de E/S Conhecido como buffer duplo, adiciona sobrecarga A troca padrão não é usada em sistemas operacionais modernos Mas uma versão modificada comum Faça o swap somente quando a memória livre for extremamente baixa 8.19

20 Alocação Contígua A memória principal é normalmente divida em duas partes: Parte residente do sistema operacional, normalmente mantida na parte baixa da memória com o vetor de interrupções. Processos do usuário mantidos na parte alta da memória. Registradores de relocação são usados para proteger processos dos usuários uns dos outros, e de alterar os códigos e dados do sistema operacional. Registrador base contém o valor do menor endereço físico; Registrador limite contém o tamanho do intervalo dos endereços lógicos cada endereço lógico deve ser menor que o registrador limite. MMU mapeia o endereço lógico dinamicamente 8.20

21 Suporte de Hardware com registradores de relocação e limite 8.21

22 Alocação Contígua (Cont.) Alocação com Diversas Partições Bloco Livre (Hole) bloco de memória disponível; blocos de vários tamanhos são espalhados pela memória. Quando um processo chega, é alocada memória de um bloco livre grande o suficiente para acomodá-lo. Sistema Operacional mantém informações sobre: a) partições alocadas b) partições livres (holes) OS OS OS OS process 5 process 5 process 5 process 5 process 9 process 9 process 8 process 2 process 10 process 2 process process 2

23 Multiple-partition allocation Alocação de Múltiplas Partições Grau de multiprogramação limitado pelo número de partições Tamanhos de partição variáveis para eficiência (dimensionados para as necessidades de um determinado processo) Bloco Livre (Hole) - bloco de memória disponível; blocos livres de vários tamanhos estão espalhados por toda a memória Quando um processo chega, é alocada memória de um buraco grande o suficiente para acomodá-lo Saída de processo libera sua partição, partições livres adjacentes combinadas Sistema operacional mantém informações sobre: a) partições atribuídas b) partições livres (buraco) 8.23

24 Armazenamento Dinâmico-Problema de Alocação Como satisfazer uma requisição de tamanho n com uma lista de blocos livres First-fit (Primeira): Aloca o primeiro bloco livre que seja grande o suficiente para satisfazer a requisição. Best-fit (Melhor): Aloca o menor bloco livre que seja grande o suficiente; deve procurar na lista inteira, a menos que esta esteja ordenada por tamanho. Produz menor bloco livre de sobra Worst-fit (Pior): Aloca o maior bloco livre; deve também procurar na lista inteira. Produz maior bloco livre de sobra First-fit e best-fit são melhores do que worst-fit em termos de velocidade e utilização de armazenamento 8.24

25 Fragmentação Fragmentação Externa espaço de memória total existe para satisfazer uma requisição, mas é não contíguo. Fragmentação Interna memória alocada pode ser ligeiramente maior que a memória requerida; esta diferença de tamanho é na memória interna a partição, que não está sendo utilizada. Uma análise do first fit revelou que a cada N blocos alocados, 0,5*N blocos são perdidos por causa da fragmentação 1/3 pode ser inutilizável regra de 50 por cento Fragmentação externa é reduzida com compactação Deslocar os blocos de memória de maneira a colocá-los juntos em um grande bloco. Compactação é possível somente se relocação é dinâmica, e é feita em tempo de execução. Problemas de E/S Trancamento de jobs na memória enquanto ele está envolvido em E/S. Realizar E/S somente em buffers do SO. 8.25

26 Paginação Espaço de endereçamento Lógico de um processo pode ser não contíguo; processo é alocado para a memória física sempre que existir espaço disponível Divide a memória física em partes de tamanho fixo chamadas de blocos (frames) (tamanho é potência de 2, entre 512 bytes e bytes) Divide memória lógica em partes do mesmo tamanho chamadas de páginas Mantém controle de todos os blocos livres Para executar um programa com n páginas, necessita encontrar n blocos livres e carregar o programa Alterar uma tabela de páginas para traduzir endereços lógicos em físicos Ainda existe fragmentação Interna 8.26

27 Esquema de Tradução de Endereços Endereço gerado pela CPU é divido em: Número da Página (p) usada como um índice em uma tabela de páginas que contém o endereço base de cada página na memória física Deslocamento na Página (d) combinado com o endereço base para definir o endereço de memória que é enviado a unidade de memória número da página deslocamento p d m-n n Para um determina espaço de endereçamento lógico 2m e um tamanho de página 2n 8.27

28 Arquitetura para Tradução de Endereços 8.28

29 Exemplo de Paginação 8.29

30 Exemplo de Paginação Memória de 32 bytes e páginas de 4 bytes 8.30

31 Blocos Livres Após a Alocação Antes da Alocação 8.31

32 Implementação de Tabela de Páginas Tabela de Páginas é mantida na memória principal. Registrador base da tabela de páginas (Page-table base register - PTBR) Registrador tamanho da tabela de páginas (Page-table length register PRLR) aponta para a tabela de páginas indica quantos endereços ela ocupa Neste esquema cada acesso a dado/instrução requer dois acessos a memória. Um para a tabela de páginas e outro para o dado/instrução O problema pode ser resolvido com o uso de uma memória cache especial, pequena, de acesso rápido, chamada de memória associativa ou translation look-aside buffers (TLBs) Algumas TLBs armazenam identificadores de espaços de endereço (addressspace identifiers - ASIDs) em cada entrada da TLB identificam cada processo de forma única para prover proteção no espaço de endereçamento daquele processo 8.32

33 Memória Associativa Memória Associativa busca em paralelo no da Página no do Bloco Tradução de Endereços (p, d) Se p está em um registrador associativo, obtém o no do bloco diretamente Em caso contrário obtém o no do bloco da tabela de páginas na memória 8.33

34 Hardware de Paginação com TLB 8.34

35 Tempo de Acesso Efetivo Busca Associativa = unidades de tempo Assume que o tempo de ciclo de memória é 1 microssegundo Taxa de Sucesso (Hit ratio) porcentagem de vezes que um número de página é encontrado nos registradores associativos; razão é relacionada com o número de registradores associativos. Taxa de Sucesso = Tempo Médio de Acesso ou Effective Access Time (EAT) EAT = (1 + ) + (2 + )(1 ) =

36 Proteção de Memória Proteção de Memória implementada através de bits de proteção associados a cada bloco. Bit válido-inválido associado para cada entrada na tabela de páginas: válido indica que a página associada está no espaço de endereçamento lógico do processo, e portanto é o acesso é legal. inválido indica que a página não está no espaço de endereçamento lógico do processo. 8.36

37 Bit Valido (v) ou Invalido (i) em uma Tabela de Páginas 8.37

38 Páginas Compartilhadas Compartilhamento de Código Uma cópia de código somente leitura (reentrante) compartilhada entre processos (ex.: editores de texto, compiladores, sistemas de janelas) Código compartilhado deve aparecer na mesma localização no espaço de endereçamento lógico de todos processos Códigos e Dados privados Cada processo mantém uma cópia separada de códigos e dados As páginas para códigos e dados privados podem aparecer em qualquer endereço no espaço de endereçamento lógico 8.38

39 Exemplo de Páginas Compartilhadas 8.39

40 Estrutura da Tabela de Páginas Tabelas de Páginas Hierárquicas Tabela de Páginas com função Hash (Hashed Page Tables) Tabela de Página Invertida 8.40

41 Tabelas de Páginas Hierárquicas Quebrar o espaço de endereço lógico em múltiplas tabelas de páginas Uma técnica simples é tabela de páginas em dois níveis 8.41

42 Tabela de páginas em dois níveis 8.42

43 Exempo de Paginação em dois níveis Um endereço lógico (em máquinas de 32-bit com tamanho de páginas 4K) é divido em: um número de páginas de 20 bits. um deslocamento na página de 12 bits. Uma vez que a tabela de páginas é paginada, o número da página é dividido em: um número de página de 10-bit. uma posição na página de 10-bit. Portanto, um endereço lógico é divido como a seguir: no da página deslocamento p1 p2 d onde p1 é um índice na tabela de páginas externa, e p2 é a posição na página da tabela de páginas externa. 8.43

44 Esquema de Tradução de Endereços Esquema de tradução de endereços para uma arquitetura paginada em dois níveis de 32-bit 8.44

45 Esquema de Paginação em três níveis 8.45

46 Tabela de Páginas com função Hash Comum em espaços de endereçamentos > 32 bits Ao número da página virtual é aplicada uma função hash que gera a localização na tabela de páginas. Em cada posição da tabela de páginas pode existir um encadeamento de elementos cuja função hash gera a mesma localização. Números de página virtual são comparados nesse encadeamento procurando por endereço igual. Se é encontrado, o bloco físico correspondente é obtido. 8.46

47 Tabela de Páginas com função Hash (Cont.) 8.47

48 Tabela de Página Invertida Uma entrada para cada página real (bloco) de memória Cada entrada contém o endereço virtual da página armazenada naquele bloco da memória, com informações sobre o processo do qual essa página faz parte Diminui a quantidade de memória necessária para armazenar cada tabela de páginas, mas aumenta o tempo de pesquisa na tabela em cada referência a uma página Uso de função hash para limitar a pesquisa a apenas uma ou no máximo a algumas entradas na tabela de páginas 8.48

49 Arquitetura de Tabela de Página Invertida 8.49

50 Segmentação Esquemas de gerenciamento de memória que suportam a visão do usuário da memória Um programa é uma coleção de segmentos. Um segmento é uma unidade lógica, como por exemplo: programa principal procedimento função método objeto variáveis locais, variáveis globais bloco comum pilha tabela de símbolos vetores 8.50

51 Visão do Usuário de um Programa 8.51

52 Visão Lógica da Segmentação user space physical memory space 8.52

53 Arquitetura da Segmentação Endereço lógico consiste de duas partes: < número do segmento, posição nesse segmento >, Tabela de Segmentos mapeia endereços físicos bidimensionais; cada entrada na tabela possui: base contém o endereço físico inicial no qual o segmento reside na memória limite especifica o tamanho do segmento Registrador Base da Tabela de Segmentos ou Segment-table base register (STBR) aponto para a localização da tabela de segmentos na memória Registrador de tamanho da tabela de segmentos ou Segmenttable length register (STLR) indica o número de segmentos usados por um programa número de segmento s é legal se s < STLR 8.53

54 Arquitetura da Segmentação (Cont.) Relocação Dinâmica Por tabela de segmento Compartilhamento Segmentos compartilhados Mesmo número de segmento Alocação First-fit (Primeira)/ Best-fit (Melhor) Fragmentação Externa 8.54

55 Arquitetura da Segmentação(Cont.) Proteção. Com cada entrada na tabela de segmento é associado: Bit de validação = 0 segmento ilegal Privilégios de leitura/escrita/execução Bits de proteção associados com segmentos; compartilhamento de código ocorre em nível de segmento Uma vez que segmentos variam em tamanho, alocação de memória é um problema dinâmico Um exemplo de segmentação é apresentado no diagrama a seguir 8.55

56 Arquitetura de Tradução de Endereços 8.56

57 Exemplo de Segmentação 8.57

58 Exemplo: Intel Pentium Suporta tanto segmentação quanto segmentação com paginação CPU gera um endereço lógico Dado a unidade de segmentação Que produz um endereço linear Endereço linear é dado a unidade de paginação Que gera um endereço físico na memória principal Forma de unidades de paginação é equivalente ao MMU 8.58