Systemy operacyjne

Systemy operacyjne Wykład nr 9: Zarządzanie pamięcią Piotr Bilski

Pojęcia podstawowe • W momencie tworzenia procesu, obraz binarny pliku jest kopiowany do pamięci • Kolejka wejściowa – kolejka procesów na dysku czekających na przeniesienie do pamięci • Ogólnie proces może znajdować się w dowolnym miejscu w pamięci • System wiąże adresy bezwzględne (fizyczne) z względnymi (logicznymi)

Przetwarzanie programu Program źródłowy Kompilator lub asembler Faza kompilacji Moduł wynikowy Inne moduły Konsolidator Moduł ładowalny Biblioteka systemowa Faza ładowania Ładowacz Biblioteka DLL Obraz binarny Faza wykonania

Miejsca wiązania adresów • Faza kompilacji – kod bezwzględny (pliki COM) • Faza ładowania – kod przemieszczany (zmiana względem adresu początkowego) • Faza wykonania – przemieszczanie programu w czasie wykonywania, najbardziej uniwersalna

Pamięć logiczna a fizyczna • Adres logiczny (wirtualny) – adres na poziomie programu, generowany przez procesor • Adres fizyczny – adres sprzętowy lokacji w pamięci • Odwzorowywanie przestrzeni adresowych wykonuje MMU (z użyciem rejestrów przemieszczenia) • MS-DOS działa z czterema rejestrami przemieszczenia

Ilustracja działania MMU Pamięć Rejestr przemieszczenia Adres fizyczny: 16971 Adres logiczny: 471 Procesor + 16500 MMU

Ładowanie dynamiczne • Program składa się z niezależnych modułów (podprogramów) • Moduły są ładowane do pamięci dopiero, gdy są potrzebne • Odpowiada za to program łączący i ładujący • Korzyść – zmniejszenie efektywnej wielkości programu • Ładowanie dynamiczne nie wymaga wsparcia systemu operacyjnego

Biblioteki dołączane dynamicznie • Działanie oparte na opóźnieniu konsolidacji • System operacyjny udostępnia własny zestaw bibliotek • Program użytkownika ma tylko odwołanie do funkcji z biblioteki, tzw. namiastkę • Możliwa jest przezroczysta aktualizacja bibliotek • Konsolidacja wymaga wsparcia systemu operacyjnego

Nakładki • Umożliwiają uruchamianie niezależnych fragmentów kodu, których łączny rozmiar przekracza dostępną wielkość pamięci • Nakładki przechowywane są na dysku w postaci obrazów gotowych do ładowania • Wsparcie systemu operacyjnego nie jest wymagane • Potrzebny moduł obsługi nakładek

Ilustracja nakładek Tablica symboli 20KB Wspólne podprogramy 30KB Moduł obsługi nakładek 10KB 80KB 70KB Przebieg 1 Przebieg 2 Dostępna pamięć: 150 KB

Wymiana • Proces przenoszenia programu z pamięci głównej do pomocniczej (wytaczanie) i odwrotnie (wtaczanie) • W systemie z podziałem czasu wytaczanie i wtaczanie powinno trwać znacznie krócej, niż praca procesu • Kolejka procesów gotowych musi obejmować gotowe procesy w pamięci pomocniczej • Wymiana a operacje wejścia-wyjścia

Przydział ciągły pamięci • Pamięć jest podzielona na dwie części –dla systemu operacyjnego (dolną) i programów użytkownika • Procesy muszą zajmować zwarte fragmenty pamięci • Problem zabezpieczania obszarów pamięci przydzielonych do różnych procesów

Realizacja sprzętowego zabezpieczenia przestrzeni adresowej Pamięć Rejestr graniczny Rejestr przemieszczenia Adres logiczny Adres fizyczny < TAK + Procesor NIE Pułapka: błąd adresowania

Metody przydziału pamięci • Metoda wielu obszarów (IBM OS/360) • Obszary (partycje) o ustalonym rozmiarze • Każdy proces dysponuje jednym obszarem • Metoda zmiennej liczby zadań • Obszary o dowolnym rozmiarze, przydzielane w zależności od zapotrzebowania procesu • Problem zajmowania dziur dla procesów • Algorytmy zajmowania wolnej przestrzeni • Pierwsze dopasowanie • Najlepsze dopasowanie • Najgorsze dopasowanie

Problem fragmentacji • Fragmentacja zewnętrzna – pozostałe wolne obszary są niespójne i za małe, aby zmieścić nowy proces • Fragmentacja wewnętrzna – część przydzielonego procesowi obszaru jest niewykorzystana • Unikanie fragmentacji zewnętrznej – upakowanie

Stronicowanie • Schemat zarządzania pamięcią dopuszczający nieciągłość pamięci przydzielonej procesowi • Pamięć fizyczna podzielona jest na małe fragmenty o stałej długości – ramki • Pamięć programu podzielona jest na małe fragmenty o stałej długości - strony

s o o r Realizacja stronicowania Pamięć fizyczna Adres logiczny Adres fizyczny Procesor s r Tablica stron

Model stronicowania 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Strona 0 Strona 0 1 0 1 2 3 Strona 2 Strona 1 8 Strona 2 3 Strona 3 6 Pamięć logiczna Tablica stron Strona 3 Strona 1 Pamięć fizyczna

s o Cechy stronicowania • Rozmiar strony (512B-16MB) zależy od sprzętu • Eliminacja zewnętrznej fragmentacji – zostaje wewnętrzna! • Duże strony – duża fragmentacja wewnętrzna • Małe strony – duża tablica stron Odległość na stronie Numer strony m-n n • 2m – rozmiar logicznej przestrzeni adresowej • 2n – rozmiar strony

Problemy stronicowania • System musi wiedzieć, które ramki są wolne – tablica ramek • Rozmiar pozycji w tablicy stron zależy od wielkości pamięci i liczby stron • Strony procesów mają być widoczne tylko dla nich samych • Problemy zabezpieczeń

Wsparcie sprzętowe stronicowania • PCB przechowuje wskaźnik do tablicy stron • Tablica stron może być: • zestawem rejestrów (tylko dla małych programów) • Częścią pamięci operacyjnej (wskazywanej przez rejestr bazowy tablicy stron PTBR) • Bufor translacji adresów stron (TLB) – pamięć podręczna dla stronicowania

s o o r Realizacja stronicowania z TLB Adres logiczny Adres fizyczny Pamięć fizyczna Nr strony Nr ramki trafienie Procesor s r chybienie

Aspekty działania TLB • Niewielki rozmiar (do 1024 pozycji) • Zastępowanie wpisów, gdy TLB pełny (z wyłączeniem pozycji przypiętych) • Przechowywanie identyfikatorów przestrzeni adresowej (AISD) • Współczynnik trafień TLB powinien dążyć do 100 procent • Efektywny czas dostępu do pamięci:

Ochrona stronicowania • Bity ochrony przypisane do każdej ramki określają tryb dostępu (zapis/odczyt lub odczyt) • Bit poprawności określa, czy strona należy do przestrzeni adresowej procesu • Rejestr długości tablicy stron (PTLR) zapobiega tworzeniu tablicy stron na całej przestrzeni dostępnej dla procesu, gdy zajmuje on mniejszy rozmiar

Stronicowanie hierarchiczne • Konieczne dla dużych przestrzeni adresowych (np. rzędu 232 słów) • Stronicowanie dwupoziomowe: • Np. w fizycznej przestrzeni 32-bitowej strona może mieć 4KB (212), więc tablica musiałaby zajmować 220 wpisówZamiast tego tworzy się dwie tablice o długości po 10 bitów Numer strony Odległość na stronie s1 s2 o n1 n2 m

Wstępnie odwzorowana tablica stron 1 Pamięć fizyczna 0 1 2 300 300 2 Zewnętrzna tablica stron Tablica stron

Hashowana tablica stron • Stronicowanie hierarchiczne w przestrzeniach adresowych większych niż 32-bitowe jest nieefektywne • Hashowana tablica stron zawiera wpisy – powiązane listy elementów składających się z trzech elementów: • Numer strony wirtualnej • Wartość odwzorowanej ramki strony • Wskaźnik do następnego elementu na liście

s o o r Działanie hashowanej tablicy stron Adres logiczny Adres fizyczny Pamięć fizyczna Funkcja hashująca s r s r Tablica z hashowaniem …

Odwrócona tablica stron • Alternatywne rozwiązanie do tablicy stron, gdy procesów jest bardzo dużo lub są one bardzo duże • Każda pozycja to odwzorowanie ramki na stronę (odwrotnie!) • Istnieje jedna tablica dla wszystkich procesów • Adres logiczny ma wówczas postać: • Problem: długi czas przeszukiwania <identyfikator-procesu, numer-strony, odległość>

o i PID s s o PID Działanie odwróconej tablicy stron Adres logiczny Adres fizyczny Pamięć fizyczna Przeglądanie Procesor Tablica stron

Strony dzielone • Realizacja współdzielenia kodu przez procesy • Kod wznawialny (reentrant code) może być używany przez różnych użytkowników i programy (systemy z podziałem czasu) • Kod wznawialny nie może zmieniać się w czasie wykonania (jest tylko do czytania) • Każdy użytkownik korzysta z tej samej kopii programu i własnej kopii danych

Segmentacja • Logiczna przestrzeń adresowa dzielona jest na obszary o różnej wielkości przypisywane poszczególnym programom i ich fragmentom • Każdy segment ma nazwę i długość • Segmenty są numerowane • Adres logiczny ma postać: <numer-segmentu, odległość>

Sprzęt do segmentacji • Odwzorowanie adresu logicznego na fizyczny zapewnia tablica segmentów • Każdy wpis zawiera bazę segmentu i jego granicę • Segmentacja jest widoczna dla programisty • Występuje tu problem zewnętrznej segmentacji

s o Ilustracja sprzętu do segmentacji Przeglądanie s Pamięć fizyczna Granica Baza Tablica segmentów Procesor < Tak + Nie Pułapka: błąd adresowania

Ochrona i współużytkowanie • Segmentacja zapewnia ochronę danych i rozkazów tylko do odczytu (bity ochrony) • Umieszczenie tego samego identyfikatora w dwóch różnych tablicach umożliwia dzielenie danych lub kodu

Edytor Edytor Dane 2 Dane 1 Segment 1 Segment 0 Segment 1 Segment 0 Pamięć logiczna procesu P2 Pamięć logiczna procesu P1 Ilustracja współużytkowania Granica Baza 0 25286 43062 1 4425 68348 43062 68348 72773 90003 98553 Edytor Dane 1 Granica Baza 0 25286 43062 1 8850 90003 Dane 2 Pamięć fizyczna

Segmentacja ze stronicowaniem • Rozwiązanie stosowane w procesorach Intela • Wsparcie większości systemów operacyjnych (OS/2, Windows, Linux) • Przestrzeń adresów logicznych podzielona jest na dwie strefy, opisywane przez tablicę lokalnych deskryptorów (LDT) oraz tablicę globalnych deskryptorów (GDT)

Adresowanie w segmentacji • Adres logiczny jest parą <selektor,odległość> • Selektor ma format: • s – numer segmentu • g – lokalizacja segmentu w LDT lub GDT • p – tryb ochrony • Każdy segment jest stronicowany (w przestrzeni 32-bitowej stronicowanie dwupoziomowe) s g p

s o Schemat adresowania + odl kat strona Deskryptor segmentu Adres fizyczny Wpis katalogowy Pozycja tablicy stron Rejestr bazowy katalogu stron

Systemy operacyjne