Aula 04-gerenciamento-basico-de-memoria

Capítulo 4
Gerenciamento de Memória
4.1 Gerenciamento básico de memória
4.2 Troca de processos
4.3 Memória virtual
4.4 Algoritmos de substituição de páginas
4.5 Modelagem de algoritmos de substituição de páginas
4.6 Questões de projeto para sistemas de paginação
4.7 Questões de implementação
4.8 Segmentação

Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 1

sexta-feira, 27 de maio de 2011

• Idealmente, o que todo programador deseja é
dispor de uma memória que seja
– grande
– rápida
– não volátil
• Hierarquia de memórias
– pequena quantidade de memória rápida, de alto custo -
cache
– quantidade considerável de memória principal de
velocidade média, custo médio
– gigabytes de armazenamento em disco de velocidade e
custo baixos



Gerenciamento Básico de Memória
Monoprogramação sem Troca de Processos ou
Paginação

Três maneiras simples de organizar a memória
- um sistema operacional e um processo de usuário


Gerenciamento Básico de Memória
Monoprogramação sem Troca de Processos ou
Paginação

• A) Era usado em computadores de grande porte;
• B) Utilizado em computadores de mão;
• C) Primeiros computadores pessoais: a parte
contida em ROM é a BIOS;
• Os processos eram carregados um de cada vez;
• Monoprogramação é raramente utilizada hoje.



Multiprogramação

• Aumenta o uso de CPU;
• Maneira mais comum de realizar
multiprogramação: dividir a memória em n
partições (normalmente de tamanhos diferentes);
– Pode ser feita quando o sistema for inicializado;
– Quando um job chega ele é colocado no menor espaço
que o caiba;
– O espaço não utilizado é perdido.



Multiprogramação
com Partições Fixas

• Partições fixas de memória
a) filas de entrada separadas para cada partição
b) fila única de entrada


Multiprogramação
com Partições Fixas
• Fila única:
– O próximo que estiver na fila e couber no
espaço vazio;
– O próximo maior que não desperdiçar espaço;
– Criar pelo menos uma partição pequena para
que os processos menores e, geralmente
interativos tenham vez.



Relocação e Proteção

• Não se sabe com certeza onde o programa será
carregado na memória
– Localizações de endereços de variáveis e de código de
rotinas não podem ser absolutos
• Uma possível solução: instruções do programa são
modificadas segundo a partição de memória em
que ele será carregado
• Uma solução para relocação e proteção: uso de
valores base e limite
– localizações de endereços são somadas ao valor base
antes de serem mapeadas na memória física
– localizações de endereços maior que o valor limite
indicam erro



Troca de Processos (1)

• Alterações na alocação de memória à medida que
processos entram e saem da memória
• Regiões sombreadas correspondem a regiões de
memória não utilizadas naquele instante



Troca de Processos (2)

a) Alocação de espaço para uma área de dados em
expansão
b) Alocação de espaço para uma pilha e uma área de
dados, ambos em expansão


Gerenciamento de Memória com
Mapas de Bits

a) Parte da memória com 5 segmentos de processos e 3
segmentos de memória livre
− pequenos riscos simétricos denotam as unidades de alocação
− regiões sombreadas denotam segmentos livres
b) Mapa de bits correspondente
c) Mesmas informações em uma lista encadeada


com Listas Encadeadas

Quatro combinações de vizinhança para o processo X em
término de execução



Evolução de organizações de
Memória



Memória Virtual

• Normalmente os programas são maiores que
a memória disponível;
• Solução: dividir a memória em módulos de
sobreposição (overlays);
• Overlay 0 seria o primeiro a ser executado;
• Quando terminar, chamaria o próximo, que
seria trocado por outro que estava em disco;



Memória Virtual

• Esse troca de overlay do disco para a
memória e vice-versa era feita pelo SO;
• A divisão do programa em módulos pelo
programador;
• Em 1961, Fotheringham desenvolveu um
método para que o SO dividisse os
programas automaticamente: Memória
Virtual.



Memória Virtual

• Ideia básica: o programa (código+dados
+pilha) pode exceder o tamanho da
memória física. O SO mantém as partes
ativas na memória e o restante em disco;
• Também é possível usar Mem. Virtual em
um sistema com multiprogramação.



Memória Virtual
Paginação (1)
• A maioria dos sistemas com M.V. utiliza
paginação;
• Existe um conjunto de endereços que
podem ser gerados quando um
programa é executado;
• Esses endereços são os endereços
virtuais e constituem o espaço de
endereçamento virtual;



Memória virtual

■ Soluciona o problema de pouco espaço de memória.
■ Cria a ilusão de que existe mais memória do que a
disponível no sistema.
■ Existem dois tipos de endereço nos sistemas de memória
virtual:
● Endereços virtuais
→Referenciados por processos.
● Endereços físicos
→Indicam localizações físicas na memória principal.
■ Unidade de gerenciamento de memória (MMU)
● Traduz os endereços virtuais para endereços físicos.



Memória Virtual
Paginação (1)

• Em computadores sem memória virtual:
– Endereço virtual = endereço físico
• Em computadores com memória virtual:
– Encaminha o endereço a uma MMU
(memory management unit – unidade de
gerenciamento de memória)
– MMU: mapeia endereços virtuais em
endereços físicos.



Memória Virtual
Paginação (1)

Localização e função da MMU


Memória Virtual
Paginação (1)
n Espaço de endereço virtual, V
■ Gama de endereços virtuais que um processo
pode referenciar.
n Espaço de endereço real, R
■ Gama de endereços físicos disponíveis em um
sistema de computador específico.
n Mecanismo de tradução dinâmica de
endereço (DAT)
■ Converte endereços virtuais em endereços físicos
durante a execução de um programa.

Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição

Memória Virtual
Paginação (1)
n |V| em geral é bem maior que |R|.
■ O sistema operacional tem de armazenar partes
de V para cada processo externo à memória
principal.
■ Armazenamento de dois níveis:
● O sistema operacional move porções de V entre a
memória principal (e os caches) e o
armazenamento secundário.

Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição

Memória Virtual
Paginação (1)

• O espaço de endereçamento virtual é
dividido em unidades denominadas páginas
(pages);
• As unidades correspondentes em mem.
física são molduras de páginas (page
frames);
• Páginas e molduras de páginas tem o
mesmo tamanho.



Memória Virtual Paginação (2)

A relação entre endereços virtuais e endereços físicos de
memória dada pela tabela de páginas


Memória Virtual
Paginação

• Um bit presente/ausente em cada entrada da
tabela de páginas informa se a página está
fisicamente na memória ou não;
• O que acontece se não estiver?



Memória Virtual
Paginação

• A MMU verifica e força o desvio da CPU
para o SO;
• Essa interrupção (trap): falta de página
(page fault);
• O SO escolhe uma moldura de página
pouco usada e salva em disco;



Memória Virtual
Paginação

• SO carrega a página virtual referenciada
pela instrução na moldura liberada;
• Atualiza o mapeamento da tabela de
páginas;
• Reinicia a instrução que causou a
interrupção.



Tabelas de Páginas (1)

Operação interna de uma MMU com 16 páginas de 4KB


Tabela de Páginas

• Objetivo: mapear páginas virtuais em
molduras de página física;
• O número da página virtual é usado como
índice dentro da tabela de páginas;
• O número da moldura da página física é
concatenado aos bits de deslocamento;



Tabela de Páginas

• Substitui-se o número da página virtual pelo
da moldura de página física.
• Forma-se o endereço físico que será enviado
à memória.
• Dois pontos devem ser considerados:
– A tabela de páginas pode ser extremamente
grande;
– O mapeamento deve ser rápido.



Tabela de Páginas
Pedaços de espaços de de endereçamento existem na
memória e no armazenamento secundário.



Outra forma de mostrar...



Tabelas de Páginas(2)

a) Endereço de 32 bits com 2 campos para
endereçamento de tabelas de páginas
b) Tabelas de páginas com 2 níveis


Estrutura de uma entrada da
tabela de páginas
• Número da moldura de página;
• O bit presente/ausente;
– 1 entrada válida;
– 0 page fault;
• Bits de proteção: tipos de permissão de
acesso à página:
– 0 leitura/escrita;
– 1 somente leitura;



tabela de páginas
• Uma forma mais sofisticada: 3 bits;
– Habilita/desabilita leitura, escrita, execução;
• Modificada: controla o uso da página;
– 1 foi usada;
– 0 não foi usada, mesmo conteúdo do disco.
• Referenciada: verifica se a página foi usada;
– 1 foi usada;
– 0 não foi usada, pode ser trocada.



tabela de páginas
• Cache desabilitado: quando um valor deve
ser constantemente atualizado, desabilita a
cache.



Tabelas de Páginas(3)

Entrada típica de uma tabela de páginas


Memória Associativa ou TLB

• TLB (translation lookaside buffer): tabela
de tradução de endereços;
• Também conhecida como memória
associativa;
• Localizada dentro da MMU;




• Como funciona?
– Quando um endereço é apresentado à MMU:
• Primeiro verifica se o número da página virtual está
presente na TLB;
• Se é encontrada, e o acesso não viola os bits de
proteção;
• O número da moldura de página é obtido
diretamente da TLB;
• Sem necessidade de buscá-lo na tabela de páginas.




TLB para acelerar a paginação


Apresentação do Trabalho



Algoritmos de Substituição de
Páginas
• A falta de página força uma escolha
– qual página deve ser removida
– alocação de espaço para a página a ser trazida
para a memória

• A página modificada deve primeiro ser salva
– se não tiver sido modificada é apenas sobreposta

• Melhor não escolher uma página que está
sendo muito usada
– provavelmente precisará ser trazida de volta logo



O Algoritmo de Substituição
de Página Ótimo
• Substitui a página necessária o mais a frente
possível
– ótimo mas não realizável

• Estimada através de...
– registro do uso da página em execuções
anteriores do processo ...
– apesar disto ser impraticável



O Algoritmo de Substituição de Página
Não Usada Recentemente (NUR)
• Cada página tem os bits Referenciada (R) e
Modificada (M)
– Bits são colocados em 1 quando a página é
referenciada e modificada
• As páginas são classificadas
− Classe 0: não referenciada, não modificada
− Classe 1: não referenciada, modificada
− Classe 2: referenciada, não modificada
− Classe 3: referenciada, modificada
• NUR remove página aleatoriamente
– da classe de ordem mais baixa que não esteja vazia


Algoritmo de Substituição de Página
Primeira a Entrar, Primeira a Sair

• Mantém uma lista encadeada de todas as páginas
– página mais antiga na cabeça da lista
– página que chegou por último na memória no final da
lista
• Na ocorrência de falta de página
• página na cabeça da lista é removida
• nova página adicionada no final da lista
• Desvantagem
– página há mais tempo na memória pode ser usada com
muita freqüência



Algoritmo de Substituição de Página
Segunda Chance (SC)

• Operação do algoritmo segunda chance
a) lista de páginas em ordem FIFO
b) estado da lista em situação de falta de página no instante 20,
com o bit R da página A em 1 (números representam instantes
de carregamento das páginas na memória)


Algoritmo de Substituição
de Página Relógio



Menos Recentemente
Usada (MRU)35
• Assume que páginas usadas recentemente logo
serão usadas novamente
– retira da memória página que há mais tempo não é usada
• Uma lista encadeada de páginas deve ser mantida
– página mais recentemente usada no início da lista, menos
usada no final da lista
– atualização da lista à cada referência à memória
• Alternativamente manter contador em cada entrada
da tabela de página
– escolhe página com contador de menor valor
– zera o contador periodicamente



Simulação do MRU em Software (1)

MRU usando uma matriz – páginas referenciadas
na ordem 0,1,2,3,2,1,0,3,2,3


Simulação do MRU em Software (2)

• O algoritmo do envelhecimento (aging) simula o MRU
em software
• Note 6 páginas para 5 tiques de relógio, (a) – (e)


do Conjunto de Trabalho (1)

• O conjunto de trabalho é o conjunto de páginas
usadas pelas k referências mais recentes à memória
• w(k,t) é o tamanho do conjunto de trabalho no
instante t


do Conjunto de Trabalho (2)

O algoritmo do conjunto de trabalho


O Algoritmo de Substituição
de Página WSClock

Operação
do Algoritmo
WSClock



Revisão dos Algoritmos de
Substituição de Página



Modelagem de Algoritmos de
Substituição de Página
– Anomalia de Belady

• FIFO com 3 molduras de página
• FIFO com 4 molduras de página
• P mostra quais referências de página causaram faltas de página


Tamanho de Página (1)

Tamanho de página pequeno

• Vantagens
– menos fragmentação interna
– menos programa não usado na memória
• Desvantagens
– programas precisam de mais páginas, tabelas
de página maiores



Espaços Separados de
Instruções e Dados

a) Espaço de endereçamento único
b) Espaços separados de instruções (I) e dados (D)


Páginas Compartilhadas

Dois processos que compartilham o mesmo código
de programa e, por conseqüência, a mesma tabela
de páginas para instruções


Questões de Implementação
Envolvimento do S.O. com a Paginação
Quatro circunstâncias de envolvimento:
1. Criação de processo
− determina tamanho do programa
− cria tabela de página
2. Execução de processo
− MMU reinicia tabela para novo processo
− TLB é esvaziada
3. Ocorrência de falta de página
− determina endereço virtual que causou a falta
− descarta, se necessário, página antiga
− carrega página requisitada para a memória
4. Terminação de processo



Tratamento de Faltas de Página (1)

1) Hardware desvia a execução para o
núcleo
2) Salva conteúdo de registradores e outras
informações voláteis
3) SO determina a página virtual necessária
4) SO checa validade de endereço, busca
moldura de página
5) Se moldura de página selecionada foi
modificada (suja), salvá-la em disco



Tratamento de Faltas de Página (2)

6) SO busca em disco página virtual
referenciada
7) Tabela de páginas é atualizada
8) Estado da instrução que causou falta de
página é recuperado
9) Processo que causou falta de página é
escalado para executar
10)Programa continua



Segmentação (1)

• Espaço de endereçamento unidimensional com
tabelas crescentes
• Uma tabela pode atingir outra


Segmentação (2)

Permite que cada tabela cresça ou encolha,
independentemente


Segmentação (3)

Comparação entre paginação e segmentação


Implementação de Segmentação Pura

(a)-(d) Desenvolvimento de fragmentação externa
(e) Remoção da fragmentação via compactação


Segmentação com Paginação:
MULTICS (1)

a) Descritores de segmentos apontam para tabelas de páginas
b) Descritor de segmento – números indicam tamanhos dos campos


MULTICS (2)

Um endereço virtual de 34 bits no MULTICS



MULTICS (3)

Conversão de um endereço MULTICS de duas
partes em um endereço da memória principal


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