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
Magistrala de sistem
Memoria principală DRAM
Subsistemul de Intrare/Ieşire
Memoria SRAM cache
UMM
Unitatea de management a memoriei
7
Magistrala de sistem
Procesor
Magistrala de sistem
Slot Slot Slot Slot Slot
8
Magistrala de sistem - echipamente periferice
Procesor
Magistrala de sistem
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
Memoria virtuală – înlocuirea paginilor
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
Memoria virtuală – înlocuirea paginilor
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
Memoria virtuală – înlocuirea paginilor
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
Recommended