Memória. Espaço de endereçamento de um programa Endereços reais e virtuais Recolocação dinâmica Segmentação

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Amanda Brezinski Martins
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1 Memória Espaço de endereçamento de um programa Endereços reais e virtuais Recolocação dinâmica Segmentação

2 Espaço de endereçamento de um programa Para ser executado, um programa tem de ser trazido para memória central carregamento do ficheiro executável esp pilha heap (via malloc) Esta imagem em memória é a "Imagem do Processo": é constituída por um conjunto de endereços contíguos o conteúdo da memória inclui o código, dados e pilha do processo endereço 0 Dados não Inicializados (.bss) Dados inicializados (.data) código (.text) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 544 eip Imagem de memória de um processo Linux/x86 (simplificado)

contíguos o conteúdo da memória inclui o código, dados e pilha do processo endereço 0 Dados não Inicializados (.

3 Problemas O programa tem de ser carregado sempre na mesma posição de memória? Não podemos ter mais de um programa em execução? Se o ficheiro executável for carregado em diferentes endereços, os endereços usados no programa têm de ser alterados? Não podemos ter programas (código+dados+pilha) maiores que a memória instalada? Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 545

Se o ficheiro executável for carregado em diferentes endereços, os endereços usados no

4 Endereços num programa Diversas abordagens: Os endereços de memória são já os endereços absolutos reais, quando se escreve o programa Os endereços de memória são recolocáveis e só receberão valores absolutos reais por acção de um programa carregador (do SO), antes de se iniciar a execução, passando a ser válidos durante toda a execução do programa Recolocação Estática Os endereços de memória são recolocáveis e só serão calculados os valores reais absolutos, a cada referência de memória, pelo CPU, durante a execução Recolocação Dinâmica Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 546

passando a ser válidos durante toda a execução do programa Recolocação Estática Os endereços de memória são recolocáveis e só serão calculados os

5 Espaços de endereços lógicos e físicos Cada processo tem um espaço de endereçamento lógico que é separado do dos outros processos O conceito de um espaço de endereçamento lógico é independente do espaço de endereços físico Endereços lógicos (ou virtuais) Usados pelo programa Gerados pelo CPU Também conhecidos por endereços virtuais Endereços físicos Endereços recebidos pela cache e pela memória física Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 547

Endereços lógicos (ou virtuais) Usados pelo programa Gerados pelo CPU Também conhecidos por endereços virtuais

6 Espaços de endereços lógicos e físicos Os endereços virtuais e físicos diferem, claro! Existe uma Unidade de Transformação de Endereços ou MMU, que converte endereços virtuais endereços físicos Em cada momento, estão carregados em memória imagens (código+dados+pilha) de vários processos Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 548

virtuais endereços físicos Em cada momento, estão carregados em memória imagens

7 Recolocação dinâmica Memória CPU end. virtual exemplo: Unidade de transformação de endereços MMU Memory Management Unit end. físico ou real 0 Imagem do prog. A Imagem do prog. B BUS interface Programa A em execução Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 549

Memory Management Unit end. físico ou real 0 Imagem do prog.

8 Capacidade dos Endereços Virtuais Endereços virtuais: Usados pelo programa a nível das instruções de referência de memória e dependendo dos modos de endereçamento A dimensão máxima do espaço de endereços virtuais (EV) é determinada pelo ISA (endereços usados pelas instruções máquina) Número de bits nos registos de endereços e modos de endereçamento Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 550

endereços virtuais (EV) é determinada pelo ISA (endereços usados pelas instruções máquina) Número de

9 Capacidade dos Endereços Reais Endereços Físicos ou Reais: Definidos pelas linhas de endereço do bus que dão acesso às células físicas da memória central Espaço de endereços reais é limitado pela número de linhas no bus e pela capacidade da memória central realmente instalada em cada computador Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 551

endereços reais é limitado pela número de linhas no bus e pela capacidade da memória

10 Segmentação da memória Cada imagem de um processo tem de ser carregada num segmento de dimensão maior ou igual à dimensão da imagem do processo Suporte hardware: registos base e limite Asseguram a recolocação do programa e a protecção entre processos; O valor corrente dos registos base e limite estão associados ao processo Transformação dos endereços: Endereço físico = Endereço virtual + Endereço base Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 552

protecção entre processos; O valor corrente dos registos base e limite estão associados ao processo Transformação

11 Segmentação da memória Suporte hardware: registos base e limite O valor corrente dos registos base (RB) e limite (RL) são específicos de cada processo O S.O. gere estes valores Processo A a correr Processo B a correr CPU RL Imagem do proc. A CPU RL Imagem do proc. A end. virtual MMU RB end. físico Imagem do proc. B end. virtual RB MMU end. físico Imagem do proc. B Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 553

S.O. gere estes valores Processo A a correr Processo B a correr CPU RL Imagem do proc.

12 Separação de Espaços EV e ER Permite que o espaço virtual dum processo seja independente do espaço real, face a: Dimensão máxima, com o uso de memória virtual Caso um processo possa ter vários segmentos alguns podem ficar temporariamente em disco Localização dos endereços reais de memória que é atribuída a cada processo, com o uso de recolocação dinâmica Os endereços no programa (usados pelo CPU) são independentes dos endereços físicos Torna independentes as organizações dos dois espaços O SO gere a memória física disponível em cada instante O SO define o valor do RB de cada processo Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 554

processo, com o uso de recolocação dinâmica Os endereços no programa (usados pelo CPU) são independentes dos endereços físicos Torna independentes as

13 Exemplo Intel 8086 Um programa pode usar em simultâneo vários segmentos: CS, SS, DS, ES Cada endereço é sempre ajustado pelo respectivo registo de segmento Depende da operação: fetch/jmp/call, mov, push/pop, EV *RegSeg ER (4bits) * (16bits) registos de segmentos (16bits) CS SS DS ES memória endereçada por 20 bits Code Stack Data Extra Data (16bits) + (20bits) (20bits) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 555

+ 2 4 *RegSeg ER (4bits) * (16bits) registos de segmentos (16bits) CS SS DS ES memória endereçada por 20

14 Exemplo Intel 8086 Exemplo: fetch Memória Central (máximo de 1Mbyte, pois os endereços têm 20 bits) IP 16 bits + CS bits 20 bits IP Code máximo de 64Kbyte, pois o CS tem 16 bits Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 556

0000 16 bits 20 bits IP Code máximo de 64Kbyte, pois o CS

15 Exemplo Intel 8086 Exemplo: fetch Memória Central (máximo de 1Mbyte, pois os endereços têm 20 bits) IP F4 16 CS A9C bits 9DCB4 16 IP Code máximo de 64Kbyte, pois o CS tem 16 bits Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 557

1010 1001 1100 0000 2 9A9C0 16 20 bits 9DCB4 16 IP Code máximo de 64Kbyte,

16 Vantagens da segmentação Isolamento entre vários espaços virtuais via limite do segmento A arquitectura pode suportar que um programa possa usar um ou vários segmentos Exemplos: Segmentos separados para dados, código e pilha Vários segmentos para cada zona do programa Pode ser usado para aumentar a capacidade da memória física suportada: Exemplo: registos de endereços de 16 bits (64K) mas endereços reais de 20bits (permite 1M de memória real) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 558

cada zona do programa Pode ser usado para aumentar a capacidade da memória física suportada: Exemplo: registos de endereços

17 Inconvenientes da segmentação Zonas livres de diferentes dimensões estão espalhadas pela memória física. Quando um processo é criado, é necessário atribuirlhe uma zona livre contígua suficientemente grande As zonas de memória livre podem-se encontrar dispersas pela memória Fragmentação OS OS OS OS OS processo 5 processo 5 processo 5 processo 5 processo 5 processo 9 processo 9 processo 8 processo 10 processo 10 processo 2 processo 2 processo 2 processo 2 processo 2 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 559

podem-se encontrar dispersas pela memória Fragmentação OS OS OS OS OS processo 5 processo 5 processo 5 processo 5 processo 5

18 Combatendo a fragmentação A fragmentação pode ser eliminada juntando a memória ocupada Demorado: exige movimentar os vários segmentos em memória Todos os processos usam segmentos do mesmo tamanho Um processo pode necessitar de vários segmentos Se não ocupar um segmento por inteiro pode desperdiçar espaço fragmentação interna OS processo 5 process 10 processo 2 OS processo 5 process 10 processo 2 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Memória 560

necessitar de vários segmentos Se não ocupar um segmento por inteiro pode desperdiçar espaço fragmentação

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