Memoria Virtuala

1

Conţinut

• Memoria – tipuri de memorie

• Memoria virtuală

• Algoritmi de inter-schimbare a paginilor în cazul MV

2

O ierarhie a memoriei

Regiştrii UCP Cache Memoria principală Dispozitive I/E

Dimensiune 200 B >2 MB >1 GB >2 GBViteza 5 ns 10-15 ns 60-100 ns 5 ms

Dimensiuni maxime1 KB (CMOS sau BiCMOS) >9 MB SRAM 24 GB DRAM 2 TB

Bandwith (MB/sec) 4000-32000 800-5000 400-2000 4-32Administrare Compilator Hardware SO SO/utilizator

Regiştrii UCP CacheMagistrala de memorieMemoriaprincipală

Magistrala I/EDispozitive

I/E

3

Tipuri de memorie

Regiştrii UCP CacheMagistrala de memorieMemoriaprincipală

Magistrala I/EDispozitive

I/E

Creşte dimensiunea/timpul de acces

Creşte preţul

4

Memoria cache

• Tip de memorie mică, ultra-rapidă, aproape de UCP, ce conţine cele mai recent accesate date sau instrucţiuni de cod

– “Cache hit”

– “Cache miss” (un bloc de dimensiune fixă de date ce conţine datele necesare sunt extrase din memoria principală şi introduse în cache)

• Fenomenul de “localizare temporală” ne spune că este foarte probabil să avem nevoie de aceste date curând, deci el este plasat în cache unde poate fi accesat rapid

• Timpul de răspuns necesar pentru un “cache miss” depinde atât de latenţa memoriei cât şi de bandwith – ce determină timpul în care va fi citit întregul bloc. Un “cache miss” administrat hardware va determina de regulă o pauză în funcţionarea CPU – până în momentul în care sunt disponibile datele.

5

Memoria cache şi controller-ul de memorie cache

UCP

Magistrala de sistem

512 MB DRAMMemoria principală

Timp de acces: 60 ns

Subsistemul de Intrare/Ieşire

512 KB SRAM cache

Timp de acces: 10 nsUCC

Unitatea de control cache

6

Unitatea de management a memoriei virtuale

UCP


Memoria principală DRAM

Subsistemul de Intrare/Ieşire

Memoria SRAM cache

UMM

Unitatea de management a memoriei

7


Procesor


Slot Slot Slot Slot Slot

8

Magistrala de sistem - echipamente periferice

Procesor


Slot Slot Slot Slot Slot

Memorie

Interfaţă de

monitor

Interfaţă de

imprimantă

Interfaţă de CD-ROM

Interfaţă de floppy-

disc

9

Execuţie concurenţială

Execuţie AşteptareExecuţie Aşteptare

ExecuţieAşteptare Aşteptare

ExecuţieAşteptare

Ex

AşteptareExecuţie

Aşteptare

Programul 1

Programul 2

Programul 3

10

Memoria virtualăMemoria virtuală Reprezintă separarea conceptuală a memoriei logice

disponibile pentru aplicaţii faţă de memoria fizică. În acest mod putem avea o memorie virtuală de dimensiuni mari chiar cu o memorie fizică de dimensiuni reduse.

Memoria virtuală Harta memoriei (memory

map)

Memoria fizicăDisk

Pagini de memorie

11

Memoria virtuală

• În acelaşi sens, nu toate obiectele (date sau instrucţiuni) pot fi la un moment dat în memoria principală. Dacă avem memorie virtuală, atunci unele dintre obiecte se pot afla pe disc. Spaţiul de adresare este de regulă împărţit în blocuri de lungime fixă – pagini.

• La un moment dat, paginile se află fie în memoria principală, fie pe disc

• Atunci când se cere un obiect care nu este în cache sau în memoria principală, apare un “page-fault” – moment în care întreaga pagină este mutată de pe disc în memoria principală. Aceste “page-fault” durează mai mult şi atunci sunt controlate de software şi UCP nu face pauză.

• De regulă, UCP comută către alt task atunci când apare un acces la disc. Memoria cache şi memoria principală au aceeaşi relaţie ca şi cea existentă între memoria principală şi disc.

12

Memoria virtuală

• În orice moment, un calculator rulează mai multe procese, fiecare având propriul spaţiu de adrese de memorie. Ar fi foarte costisitor să se dedice un întreg spaţiu de adresare pentru fiecare proces, având în vedere că multe dintre procese folosesc doar o mică parte a spaţiului propriu de adrese. A apărut astfel necesitatea partajării unei părţi a memoriei între mai multe procese.

• Acest procedeu poartă numele de “memorie virtuală” – memoria fizică se divide în blocuri care sunt alocate diferitelor procese.

• Inerentă unei astfel de abordări este o schemă de protecţie ce restricţionează accesul proceselor la blocuri ce aparţin altor procese. Majoritatea formelor de memorie virtuală reduc, de asemenea, timpul de pornire a unui program, deoarece nu tot codul sau datele trebuie să fie deja în memoria fizică înainte ca programul să înceapă.

13

Memoria virtuală

• Nu însă partajarea între procese a memoriei este adevăratul motiv pentru care s-a inventat memoria virtuală. Dacă un program devine prea mare pentru memoria fizică, este sarcina programatorului să îl facă să încapă în ea. Au rezultate acele suprapuneri (overlay).

• Blocurile de memorie în cazul memoriei virtuale se numesc pagini sau segmente. UCP foloseşte adrese virtuale ce sunt translatate (hardware cât şi software) în adrese fizice ce accesează memoria principală. Acest procedeu se numeşte procedeul de mapare a memoriei sau de translatare a adreselor. Astăzi memoria virtuală intervine la nivel de memorie principală şi disc magnetic.

14

Memoria virtuală

Cererea de pagini (demand paging)

Atunci când o pagină de memorie este referită (fie că este vorba despre cod sau date) şi ea nu se află în memorie atunci ea este adusă de pe disc şi se re-execută instrucţiunea

Memoria fizică Hard disc

Programul A

Programul B

15

Memoria virtuală

Regula spune că cererile de pagini din memoria externă (page faults) se produc rareori.

Tabela de pagini necesită prezenţa unui bit “rezident" care ne arată dacă pagina este sau nu în memorie. Uneori se utilizează termenul "valid" pentru a indica rezidenţa în memorie. O pagină “invalidă" este astfel o pagină nerezidentă sau care are o adresă ilegală.

Este mai logic să avem doi biţi - unul ne indică faptul că pagina este validă iar cel de-al doilea ne arată dacă pagina este sau nu în memorie.

11110

0

Nr paginii Bit valid/invalid

Tabela de pagini

10

10

Nr paginii Bit valid/invalid

Rezident

16

Memoria virtuală Paşii ce se urmăresc în cazul unui “page fault”

1. Procesul necesită o pagină ce nu este rezidentă în memorie.

2. Verifică în tabela de pagini dacă referinţa de memorie este validă sau nu.

3. Dacă este validă dar pagina nu este rezidentă, se încearcă obţinerea acesteia din memoria secundară.

4. Se caută şi se alocă un cadru (frame) liber (o pagină de memorie fizică neutilizată în prezent – poate fi necesară eliberarea unei pagini de memorie).

5. Se planifică o operaţie de disc pentru a se citi acea pagină din memoria secundară în cadrul nou alocat.

6. După scrierea paginii în memorie se modifică tabela de pagini - pagina este acum rezidentă.

7. Se reporneşte instrucţiunea ce a generat page fault.

17

Memoria virtuală

Paşii administrării unui “page fault”

Se încarcă P

Tabela de pagini

1

2Referinţă la tabela de

paginiTrap

Sistemul de Operare

3 Obţinerea paginii din memoria

secundară

Cadru liber de memorie

4 Copierea paginii în memoria

principalăMemoria

fizică

5 Refacerea tabelei de

pagini

6 Repetarea instrucţiunii

18

Memoria virtuală – înlocuirea paginilor

1. Se caută pagina pe disc.

2. Se caută un cadru liber.

a. Dacă există, se foloseşte

b. Altfel, se selectează o pagină “victimă”

c. Se scrie pagina “victimă” pe disc.

3. Se citeşte noua pagină în cadrul eliberat. Se modifică tabela de pagini.

4. Se reporneşte procesul.

În cazul supra-alocării memoriei trebuie să renunţăm la ceva deja existent în memorie.

Supra-alocarea apare atunci când programele au nevoie de mai multe pagini de memorie decât cele existente fizic.

Metoda de abordare: Dacă nici o pagină fizică nu este liberă, se caută una care nu este utilizată la momentul respectiv şi se eliberează, urmărind următorii paşi:

19


Pagina

Bit valid/invalid

p1

p2

v

i

Victima

1

Copierea paginii

“victimă” pe disc

p1

p2

3

Copierea paginii

necesare de pe disc în memorie

SWAP

2

Bitul se modifică în “invalid”

4

Bitul se modifică în

“valid”Tabela de pagini Memoria

fizică

Funcţionarea mecanismului de înlocuire a paginilor

20


Algoritmi de înlocuire a paginilor

În momentul supra-alocării putem fie interschimba pagini de pe disc, fie supra-scrie anumite pagini. Ce pagini vor fi înlocuite?- pentru a minimiza numărul de page faults.

Exemplul unui şir de referinţă pentru pagini de memorie ce vor fi executate:

Şir de referinţă: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

FIFO

Uşor de implementat dpdv conceptual.

Se poate folosi fie un “time-stamp” pentru pagini, fie o organizare într-o coadă. (Coada reprezintă implementarea cea mai uşoară).

1

2

3

5

1

2

4

510 “page faults”

4 3

Şir de referinţă: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

21

Memoria virtuală –înlocuirea paginilor

Înlocuirea optimă

• Reprezintă o politică de înlocuire a paginilor care au cea mai mică rată “page fault”.

• Algoritmul: se înlocuieşte pagina care nu va fi utilizată pentru cea mai lungă perioadă de timp.

• Practic imposibil de implementat.

1

2

3

4

6 “page faults”

4 5

Şir de referinţă: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

22


Metoda LEAST RECENTLY USED ( LRU ) – “Cea mai puţin recent folosită pagină”

– Se înlocuieşte pagina care nu a fost utilizată pentru cea mai mare perioadă de timp.

– Rezultatele sunt bune; dificultatea apare la implementare.

– Variante de implementare:

• ”Time stamp” pentru pagini - înregistrarea ultimei utilizări.

• Stivă de pagini – se scot paginile utilizate şi se introduc în vârful stivei

Ambele metode necesită facilităţi hardware (trebuie făcută reactualizare după fiecare instrucţiune), de aceea este rar utilizată în practică.

1

2

3

5

4

4 3

5

8 “page faults”

Şirul de referinţă: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

Documents

Memoria Virtuala