Виртуелна меморија

1. Виртуелна меморија Оверлеји Страничење на захтев Перформансе страничења на захтев Замена странице Концепт виртуелне меморије Алгоритми замене страница Управљање меморијом код WinNT-a

2. Оверлеји • Испитивања реалних програма су показала да у многим случајевима није потребан читав програм у меморији.

3. Оверлеји • На пример: • Програми често имају кôд за руковање неуобичајеним грешкама. Пошто су те грешке ретке, тај део кôда се готово никад не извршава. • Низовима, листама и табелама се често додељује више меморије него што им је заиста потребно. • Неке опције и карактеристике програма се могу ретко користити.

4. Оверлеји • Чак и у оним случајевима када је цео програм потребан, не мора да значи да је читав програм потребан у исто време.

5. Оверлеји • Способност да се извршава програм који је само делимично у меморији има многе предности: • Програм више није ограничен износом физичке меморије која је расположива у рачунару. Корисници су у стању да пишу програме за веома велики виртуелни адресни простор, олакшавајући програмирање.

6. Оверлеји • Како сваки корисник може да заузме мањи износ физичке меморије, више корисника се може извршавати истовремено, што одговара повећању искоришћености CPU-а и пропусне моћи, али не и времена одзива или времена обиласка. • Мање У/И активности је потребно за пуњење или пребацивање корисника у меморију, тако да ће се сваки корисник извршавати брже.

7. Оверлеји • Техника позната као оверлеји (overlays) се понекад користи да би се омогућило да програми буду већи од износа меморије који им се додељује. • Идеја оверлеја је да се у меморији држе само оне инструкције и подаци који су потребни у неком задатом времену. • Када су друге инструкције потребне оне се пуне у ону меморију у којој су биле неке друге инструкције које сада више нису потребне.

8. Оверлеји • Размотримо као пример двопролазни асемблер. Током првог пролаза асемблер конструише табелу симбола а у другом пролазу генерише кôд на машинском језику. • Могли би смо да поделимо такав асемблер у кôд првог пролаза, кôд другог пролаза, табелу симбола и заједничке рутине за подршку које користе и први и други пролаз.

9. Оверлеји • Претпоставимо да су величине ових компонената: • Први пролаз 8К • Други пролаз 10К • Табела симбола 14К • Заједничке рутине 5К

10. Оверлеји • Да би напунили све то одједном у меморију потребно нам је 37К. Ако је само 32К расположиво не можемо да извршимо наш програм. • Међутим, приметимо да пролаз 1 и пролаз 2 не морају да буду у меморији истовремено.

11. Оверлеји • Дефинисаћемо два оверлеја: (A) табела симбола, зајединичке рутине и пролаз 1, и (B) табела симбола, заједничке рутине и пролаз 2. • Додаћемо и драјвер оверлеја (величине 2K) и почети са оверлејем A у меморији.

12. Табела симбола 14K Заједничке рутине 5K Драјвер оверлеја 2K Пролаз 2 Пролаз 1 10K 8K Сл. 1. Оверлеји за двопролазни асемблер. Оверлеји

13. Оверлеји • Појам који је сродан овоме јесте динамичко пуњење. • Овде се рутине не пуне у меморију док се не позову. Све рутине се налазе на диску у релокатибилном формату. Главни програм се пуни у меморију и извршава.

14. Оверлеји • Када рутина жели да позове неку другу рутину, онда се најпре проверава да ли је позвана рутина напуњена. • Ако није, релокатиблни пунилац се позива да би се жељена рутина учитала у меморију и ажурирају се одговарајуће табеле да би се одсликало ново стање. • Потом се управљање преноси на новонапуњену рутину.

15. Оверлеји • Предност динамичког пуњења је у томе да се рутине које нису потребне никада не пуне у меморију. • Ова шема је нарочито корисна када је дугачак кôд потребан за руковање случајевима који се ретко јављају.

16. Оверлеји • Ни оверлеји ни динамичко пуњење не траже посебну подршку оперативног система. • Обе технике се могу у потпуности имплементирати од стране корисника, једино што ће бити више У/И операција него обично.

17. Оверлеји • С друге стране програмер мора правилно да пројектује и програмира структуру оверлеја. Овај задатак може да представља тежак подухват. • Стога су пожељније аутоматске технике за извршавање великих програма на ограниченим капацитетима физичке меморије.

18. Страничење на захтев • Ово је најраспрострањенији систем виртуелне меморије. • Страничење на захтев је слично страничењу са пребацивањем.

19. Страничење на захтев • Програм се налази на секундарном меморијском медијуму. Када желимо да се изврши он се пребацује у меморију. • Уместо да се читав програм смести у меморију, смештају се само оне странице које су неопходне. • На овај начин се смањује време пребацивања, смањује неопходни капацитет физичке меморије а повећава степен мултипрограмирања.

20. Пребацивање ван програм A програм B Пребацивање у меморију Главна меморија Сл. 2. Пребацивање страничне меморије на континуални простор на диску. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Страничење на захтев

21. Страничење на захтев • Када програм покуша да користи страницу која није у меморији хардвер ће покушати да преведе корисничку адресу у физичку користећи страничну табелу. • Ставке у страничној табели које одговарају страницама које нису у меморији и којима није придружен странични оквир имају постављену вредност валид/инвалид бита којом се спречава приступ.

22. Страничење на захтев оквир valid/invalidбит 0 1 0 4 v 1 i 2 A 0 6 v 2 3 B i 1 3 A 4 i C 4 2 9 v 5 5 D 3 i 6 C A B 6 E i 7 4 7 F C D E 5 Странична табела 8 G 6 F F 9 H 7 10 Логичка меморија 11 12 Секундарна меморија 13 14 Физичка меморија Сл. 3. Странична табела када неке странице нису у меморији.

23. Страничење на захтев • Инвалидирање нема ефекта ако програм никада не покуша да приступи тим страницама. • У супротном, јавља се промашај странице.

24. Страничење на захтев • Хардвер за страничење ће приликом превођења адресе преко страничне табеле установити да је постављен инвалид бит и изазвати трап типа адресна грешка. • Нормално би се због овог типа грешке програм терминирао. • У овом случају трап је резултат пропуста оперативног система да допреми валидни део програма у меморију.

25. 3. Страницанајединицисекундарнемеморије Оперативнисистем 2.Трап 1. Референца LOAD M i • 6.Рестартујинструкцију страничнатабела слободаноквир • 4. Учитавање странице која недостаје • 5. Ресетовање страничне табеле Сл. 4. Кораци приликом опслуживања странице. физичка меморија Страничење на захтев

26. Страничење на захтев • Важно је запазити да, захваљујући памћењу стања прекинутог процеса, тај процес можемо обновити на потпуно истом месту и у истом стању, осим што је сада жељена страница у меморији. • Ово нам омогућава да програм извршавамо и када он није у потпуности у меморији.

27. Страничење на захтев • У екстремном случају можемо започети извршење програма када ниједна страница није у меморији.

28. Страничење на захтев • Процес ће одмах произвести промашај странице већ првом инструкцијом. • Када се прва страница допреми у меморију процес ће се наставити, изазивајући промашај стране све док му све потребне стране не буду у меморији. Од тог момента програм се може извршавати без промашаја. • Ово се назива чисто страничење на захтев: никада се не учитава страница у меморију док не буде потребна.

29. Страничење на захтев • Хардвер који подржава страничење на захтев је исти као за страничење и пребацивање: • Странична табела са могућношћу означавања сваке ставке инвалидном помоћу валид/инвалид бита или посебном вредношћу заштитних битова. • Секундарни меморијски медијум за чување страница које нису у меморји. То је обично брзи диск. • Осим ове хардверске, потребна је и значајна софтверска подршка.

30. Перформансе страничења на захтев • Страничење на захтев може да има значајни утицај на перформансе рачунарског система.

31. Перформансе страничења на захтев • Ефективно време приступа код страничења на захтевје где је p – фактор промашаја ta– време приступа меморији tf– време које се утроши на опслуживање промашаја странице (учитавање потребне странице и приступ њој)

32. Перформансе страничења на захтев • Промашај странице изазива појаву следеће секвенце. • Трап оперативног система. • Памћење регистара и стања програма. • Одређивање да ли је прекид изазван због промашаја странице. • Провера да ли је странична референца била легална и одређивање локације странице на диску.

33. Перформансе страничења на захтев • Налагање читања са диска у слободан меморијски оквир. • Чекање у реду уређаја док се захтев за читање опслужује. • Чекање током времена постављања и/или времена ротационог кашњења диска. • Отпочињање трансфера странице у слободан меморијски оквир.

34. Перформансе страничења на захтев • Док чекамо можемо доделити CPU другом процесу. • Прекид изазван од стране јединице диска (У/И завршен). • Памћење регистара и стања програма другог корисника • Одређивање да ли је прекид изазван од стране диска. • Кориговање страничне табеле и других табела да би показивале да је жељена страница сада у меморији. • Чекање да се CPU поново додели процесу. • Обнављање регистара, стања програма и нове страничне табеле, а онда настављање прекинуте инструкције.

35. Перформансе страничења на захтев • Не морају сви ови кораци да буду неопходни у свим случајевима. • У сваком случају суочени смо само са три главне компоненте времена опслуживања промашаја странице. • Опслуживање прекида изазваног промашајем странице. • Учитавање странице. • Обнављање процеса.

36. valid/invalid бит оквир 0 H 1 Load M 3 v Monitor PC 0 4 v 2 J 1 5 v 3 M i 2 D Логичка меморија за корисника 1 H Странична табела за корисника 1 3 B Load M 4 J 5 оквир valid/invalid бит 0 A A 6 M 1 B E 6 v 7 2 D i Физичка меморија 3 E 2 v Секундарна меморија 7 v Логичка меморија за корисника 2 Странична табела за корисника 2 Сл. 5. Ситуација када је потребна замена странице. Замена странице

37. Замена странице • У таквом случају се дешава да у тренутку када је потребно учитати нову страницу нема слободног меморијског оквира. • Оперативни систем тада има неколико могућности. • Терминирање корисничког програма. • Пребацивање читавог програма на диск. • Замена странице.

38. Замена странице • Рутина за опслуживање промашаја странице је сада измењена да обухвати замену странице. • Нађи локацију жељене странице на диску. • Нађи слободан оквир. • Ако постоји слободан оквир, користи га. • Ако не, употреби алгоритам за замену странице за избор оквира жртве. • Упиши жртву на диск и сагласно томе измени табелу страница и оквира. • Учитај жељену страницу у новоослобођени оквир и ажурирај табеле страница и оквира. • Обнови кориснички процес.

39. valid/invalid бит оквир • 1. Пребацивање странице жртве на диск • 2. Промени стање на инвалидно f 0 v i f жртва • 4. Ресетуј страничну табелу за нову страницу f v • 3. Учитавање жељене странице у меморију Секундарна меморија Странична табела Физичка меморија Сл. 6. Замена странице. Замена странице

40. Замена странице • Сада су потребна два преноса странице ако нема слободног оквира што удвостручује време промашаја странице и повећава ефективно време приступа меморији. • Да би се ово време смањило користи се dirty бит.

41. Концепт виртуелне меморије • Замена странице је суштинска за страничење на захтев. Она комплетира раздвајање логичке од физичке меморије. • Код страничења које није на захтев корисничке адресе се пресликавају у физичке, дозвољавајући да та два скупа адреса буду сасвим различита. • Код страничења на захтев величина логичког адресног прострора није више ограничена физичком меморијом.

42. Концепт виртуелне меморије • Виртуелна меморија представља раздвајање корисничке логичке меморије од физичке и обично се имплеметира страничењем на захтев. • На тај начин се програмерима може обезбедити велика виртуелна меморија на системима са мањом физичком меморијом.

43. Страница 0 Страница 1 Страница 2 . . . Меморијско пресликавање Страница n Секундарна меморија Виртуелна меморија Физичка меморија Сл. 7. Виртуелна меморија може бити много већа од физичке. Концепт виртуелне меморије

44. Концепт виртуелне меморије • Виртуелна меморија чини задатак програмирања лакшим. • Једна од последица виртуелне меморије је виртуелно нестајање оверлеја. • Виртуелна меморија се такође може имплементирати и код система са сегментацијом.

45. Концепт виртуелне меморије • Два главна проблема се морају решити када се имплементира страничење на захтев: • алгоритам за доделу оквира • алгоритам за замену страница.

46. Алгоритми замене страница • Бољи је онај алгоритам који даје мањи фактор промашаја. • Евалуација алгоритама се врши њиховим извршавањем на неком низу меморијских референци и рачунањем броја промашаја страница.

47. Алгоритми замене страница • Уз фиксирану величину странице, потребно да знамо број странице који се референцира. • Потребно је да знамо и број страничних оквира који је расположив. • Како број оквира расте, смањује се број промашаја

48. Број промашаја странице Број оквира Сл. 8. Број промашаја странице у зависности од броја оквира. Алгоритми замене страница

49. Алгоритми замене страница • FIFO (First-In-First-Out) • Оптимална замена • LRU (the Least Recently Used) • Апроксимације LRU алгоритма • Додатни референтни битови. • Замена друге шансе. • LFU (Least Frequently Used) • MFU (Most Frequently Used) • Класе страница

50. Управљање меморијом код WinNT-a • WindowsNT је пројектован тако да се може имплементирати на различитим процесорима. • Најважнијиа платформи за WindowsNT је Intel 80486 (и следбеници).