Administración de Memoria
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- Francisco José Rodríguez Miranda
- hace 6 años
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1 Sistemas Operativos Departamento de Computación Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires 30 de abril de 2015
2 MMU Unidad de Gestión de Memoria (MMU): Componente del sistema operativo encargado de administrar la memoria.
3 MMU Unidad de Gestión de Memoria (MMU): Componente del sistema operativo encargado de administrar la memoria. Más específico?
4 MMU Unidad de Gestión de Memoria (MMU): Componente del sistema operativo encargado de administrar la memoria. Más específico? Se encarga de (entre otras cosas): 1. Asignar y liberar memoria. 2. Organizar el espacio de memoria libre. 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria. 4. Traducir direcciones lógicas a físicas. 5. Asegurar la protección de la memoria. 6. Permitir acceso a memoria compartida.
5 MMU Unidad de Gestión de Memoria (MMU): Componente del sistema operativo encargado de administrar la memoria. Más específico? Se encarga de (entre otras cosas): 1. Asignar y liberar memoria. 2. Organizar el espacio de memoria libre. 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria. 4. Traducir direcciones lógicas a físicas. 5. Asegurar la protección de la memoria. 6. Permitir acceso a memoria compartida. Cada una de estas cosas trae problemas...
6 1. Asignar y liberar memoria (1) Lo más simple de todo (por eso está primero).
7 1. Asignar y liberar memoria (1) Lo más simple de todo (por eso está primero). Asignar (malloc) = reservar una porción de memoria para un proceso. La Memoria pasa a estar ocupada por el proceso que la solicitó. Tenemos que saber quién es el dueño de esa porción de memoria. Liberar (free) = la memoria vuelve a estar disponible. Qué pasa si el proceso que la liberó intenta usarla?.
8 1. Asignar y liberar memoria (1) Lo más simple de todo (por eso está primero). Asignar (malloc) = reservar una porción de memoria para un proceso. La Memoria pasa a estar ocupada por el proceso que la solicitó. Tenemos que saber quién es el dueño de esa porción de memoria. Liberar (free) = la memoria vuelve a estar disponible. Qué pasa si el proceso que la liberó intenta usarla?. Es realmente tan fácil?
9 1. Asignar y liberar memoria (2) Pensemos en la memoria como una colección de celdas. La MMU debe elegir que porción de memoria (qué celdas) asignar.
10 1. Asignar y liberar memoria (2) Pensemos en la memoria como una colección de celdas. La MMU debe elegir que porción de memoria (qué celdas) asignar. Cómo organizamos la memoria? De a celdas. En Bloques de tamaño fijo. En Bloques de tamaño variable.
11 1. Asignar y liberar memoria (2) Pensemos en la memoria como una colección de celdas. La MMU debe elegir que porción de memoria (qué celdas) asignar. Cómo organizamos la memoria? De a celdas. En Bloques de tamaño fijo. En Bloques de tamaño variable. Cómo representamos la memoria? Con un mapa de bits. Con una lista enlazada. Con una tabla de páginas.
12 1. Asignar y liberar memoria (2) Pensemos en la memoria como una colección de celdas. La MMU debe elegir que porción de memoria (qué celdas) asignar. Cómo organizamos la memoria? De a celdas. En Bloques de tamaño fijo. En Bloques de tamaño variable. Cómo representamos la memoria? Con un mapa de bits. Con una lista enlazada. Con una tabla de páginas. Manejadores de memoria más sofisticados: Segmentación. Paginación. Segmentación + paginación.
13 2. Organizar el espacio de memoria libre (1) Un proceso solicita memoria, Qué porción de memoria le doy?
14 2. Organizar el espacio de memoria libre (1) Un proceso solicita memoria, Qué porción de memoria le doy? Algoritmos de elección de bloque libre: First fit Best fit Worst fit Quick fit
15 2. Organizar el espacio de memoria libre (1) Un proceso solicita memoria, Qué porción de memoria le doy? Algoritmos de elección de bloque libre: First fit La primera sección de memoria contigua del tamaño necesario. Best fit De todas las secciones de tamaño mayor o igual al tamaño necesario, tomo la más chica. Worst fit Mejor tomo la más grande. Quick fit Además me guardo listas de bloques de determinados tamaños.
16 2. Organizar el espacio de memoria libre (2) Fragmentación externa: Bloques pequeños de memoria no contiguos.
17 2. Organizar el espacio de memoria libre (3) Fragmentación interna: Memoria desperdiciada dentro de una partición (un bloque o página).
18 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria (1) Paginación: Organizamos la memoria en bloques de tamaño fijo. Qué pasa con la fragmentación? Organizamos las páginas en una tabla. Cada entrada en la tabla representa una página. Las entradas contienen la dirección base de la página más algunos atributos.
19 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria (2) Paginación multinivel: En lugar de una tabla de páginas gigantesca, tenemos varias más pequeñas.
20 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria (3) Paginación nos permite mapear mucha más memoria de la que realmente tiene el sistema, pero... Si una página no está cargada en ningún marco de página, la MMU se encarga de ir a buscarla al disco y cargarla en memoria.
21 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria (3) Paginación nos permite mapear mucha más memoria de la que realmente tiene el sistema, pero... Si una página no está cargada en ningún marco de página, la MMU se encarga de ir a buscarla al disco y cargarla en memoria. Qué pasa si no hay lugar en la memoria? (por lo general, MEM VIRTUAL > MEM FISICA).
22 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria (3) Paginación nos permite mapear mucha más memoria de la que realmente tiene el sistema, pero... Si una página no está cargada en ningún marco de página, la MMU se encarga de ir a buscarla al disco y cargarla en memoria. Qué pasa si no hay lugar en la memoria? (por lo general, MEM VIRTUAL > MEM FISICA). Algoritmos de remoción: FIFO Segunda oportunidad Not Recently Used LRU
23 3. Asegurar la disponibilidad de la memoria (3) Paginación nos permite mapear mucha más memoria de la que realmente tiene el sistema, pero... Si una página no está cargada en ningún marco de página, la MMU se encarga de ir a buscarla al disco y cargarla en memoria. Qué pasa si no hay lugar en la memoria? (por lo general, MEM VIRTUAL > MEM FISICA). Algoritmos de remoción: FIFO La clásica de siempre. Segunda oportunidad Si fue referenciada, le doy otra chance. Not Recently Used Primero desalojo las ni referenciadas ni modificadas. Después las referenciadas y por último las modificadas. LRU Desalojo la página que hace más tiempo que no se usa.
24 4. Traducir direcciones lógicas a físicas (1) Memoria física (o real): Una celda dentro de la memoria del sistema. El tamaño está determinado por el hardware. Un marco de página es una porción de memoria física. Memoria lógica (o virtual): Una representación de la información almacenada. El tamaño depende de la unidad de direccionamiento y la cantidad de bits de direccionamiento. Una página es una porción de memoria virtual.
25 4. Traducir direcciones lógicas a físicas (2) Otra definición de memoria virtual: Hacerle creer al procesador que dispone de más memoria de la que realmente tiene. Cuánta memoria tiene mi sistema?.
26 4. Traducir direcciones lógicas a físicas (2) Otra definición de memoria virtual: Hacerle creer al procesador que dispone de más memoria de la que realmente tiene. Cuánta memoria tiene mi sistema?. Cantidad de bytes de memoria física = MEM SIZE. Cantidad de bytes de memoria virtual = 2 DIR BITS *DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria física = MEM SIZE / DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria virtual = 2 DIR BITS.
27 4. Traducir direcciones lógicas a físicas (2) Otra definición de memoria virtual: Hacerle creer al procesador que dispone de más memoria de la que realmente tiene. Cuánta memoria tiene mi sistema?. Cantidad de bytes de memoria física = MEM SIZE. Cantidad de bytes de memoria virtual = 2 DIR BITS *DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria física = MEM SIZE / DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria virtual = 2 DIR BITS.
28 4. Traducir direcciones lógicas a físicas (2) Otra definición de memoria virtual: Hacerle creer al procesador que dispone de más memoria de la que realmente tiene. Cuánta memoria tiene mi sistema? Cantidad de bytes de memoria física = MEM SIZE. Cantidad de bytes de memoria virtual = 2 DIR BITS *DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria física = MEM SIZE / DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria virtual = 2 DIR BITS. Ejercicio: Tengo 16 bits para direccionar. Cuánta memoria virtual puedo tener direccionando a byte? Cuánta física?
29 4. Traducir direcciones lógicas a físicas (2) Otra definición de memoria virtual: Hacerle creer al procesador que dispone de más memoria de la que realmente tiene. Cuánta memoria tiene mi sistema? Cantidad de bytes de memoria física = MEM SIZE. Cantidad de bytes de memoria virtual = 2 DIR BITS *DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria física = MEM SIZE / DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria virtual = 2 DIR BITS. Ejercicio: Tengo 16 bits para direccionar. Cuánta memoria virtual puedo tener direccionando a byte? Cuánta física? Tengo 8 bits para direccionar 256 (2 8 ) bytes de memoria física. Cómo puedo duplicar la memoria virtual?
30 4. Traducir direcciones lógicas a físicas (2) Otra definición de memoria virtual: Hacerle creer al procesador que dispone de más memoria de la que realmente tiene. Cuánta memoria tiene mi sistema? Cantidad de bytes de memoria física = MEM SIZE. Cantidad de bytes de memoria virtual = 2 DIR BITS *DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria física = MEM SIZE / DIR UNIT. Cantidad de celdas de memoria virtual = 2 DIR BITS. Ejercicio: Tengo 16 bits para direccionar. Cuánta memoria virtual puedo tener direccionando a byte? Cuánta física? Tengo 8 bits para direccionar 256 (2 8 ) bytes de memoria física. Cómo puedo duplicar la memoria virtual? Tengo (2 16 ) bytes de memoria física dividia en bloques de 16 bits. Cuántos bits necesito para direccionar?
31 5. Asegurar la protección de la memoria Un proceso no debería poder usar memoria que no reservó. Paginación provee una solución muy elegante para esto: Cada proceso tiene su propia tabla de páginas. De forma similar, puede utilizarse segmentación para lo mismo: Cada proceso tiene su propia tabla de segmentos.
32 6. Permitir acceso a memoria compartida Queremos que dos procesos lean y escriban sobre una misma variable. Una vez más, paginación es la respuesta. Podemos mapear dos páginas al mismo marco de página.
33 6. Permitir acceso a memoria compartida Queremos que dos procesos lean y escriban sobre una misma variable. Una vez más, paginación es la respuesta. Podemos mapear dos páginas al mismo marco de página.
34 Segmentación (repaso de Orga 2) Primeros bits de la dirección indexan el Descriptor de Segmento. El resto es el offset. La GDT (y la LDT de cada proceso) contiene los descriptores de los segmentos. Los descriptores almacenan información sobre los segmentos (inicio en memoria física, tamaño, atributos).
35 Paginación Los conjuntos de bits indexan en las sucesivas tablas de páginas. Los últimos son el offset en la página. El Directorio de Tablas de Páginas es la tabla de primer nivel. La(s) Tabla de páginas del último nivel contiene una entrada por cada página. Cada entrada contiene la direccción base de la página más algunos atributos.
36 Page Fault (1) Qué pasa cuando una página no está cargada en la memoria?
37 Page Fault (1) Qué pasa cuando una página no está cargada en la memoria? 1. Un proceso accede a una dirección (virtual) de memoria. 2. La MMU traduce la dirección virtual a dirección física (accede a la entrada en la última tabla de páginas). 3. Lee el atributo correspondiente a presencia en la memoria. 4. Si es negativo, se produce la interrupción Page Fault. 5. Se ejecuta la RAI correspondiente. 6. Si la memoria está llena, se ejecuta el algoritmo de remoción. 7. Si la página que se va a desalojar fue modificada, hay que bajarla al disco. 8. Se carga en el lugar liberado la página solicitada. 9. Se vuelve a ejecutar la instrucción del proceso que accede a la dirección solicitada.
38 Page Fault (2)
39 TLB (Translation Lookaside Buffer) Buffer de Traducción Adelantada. Es una caché que guarda traducciones. Paginación de 4 niveles: Cuatro accesos a memoria (1 por cada tabla) más uno para leer la página. Entonces para qué me guardo todas las tablas?
40 Thrashing Situación en la que el SO pasa más tiempo cargando páginas que ejecutando procesos. Supongan que tenemos 2 procesos y un solo marco de página disponible. Cada proceso usa una sóla página, pero cada vez que ejecute, su página no va a estar cargada. Siempre va a estar cargada la página del otro.
41 Copy-on-Write Dijimos que al crear un nuevo proceso se duplica toda su memoria. Sabemos que, en general después de un fork() viene un exec(). exec() inutiliza todas las páginas de memoria, entonces para qué nos gastamos en duplicar todo? Copy-on-Write: Sólo duplico (copy) cuando alguno de los procesos escribe (write).
42 Más ejercicios: Algoritmos de elección de bloque libre Tengo un sistema con 16 MB de memoria sin particionar que direcciona a byte. El estado actual de la memoria es el siguiente: Llegan los siguientes pedidos de memoria en ese orden: 500 KB, 3 MB, 1 MB, 2MB, 500 KB. Indique qué bloques se asignan para cada pedido utilizando first-fit, best-fit y worst-fit.
43 Solución First-Fit First-Fit 500 KB 3 MB 1 MB 2 MB 500 KB
44 Solución Best-Fit Best-Fit 500 KB 3 MB 1 MB 2 MB 500 KB
45 Solución Worst-Fit Worst-Fit 500 KB 3 MB 1 MB 2 MB 500 KB
46 Más ejercicios: Algoritmos de remoción Tengo un sistema con 6 páginas y sólo 4 marcos de página. La memoria comienza vacía. Llegan los siguientes pedidos de memoria (número de página) en ese orden: 1, 2, 1, 3, 4, 5, 1, 3, 6, 3, 2, 1, 4, 1 Indique qué página se desaloja tras cada pedido utilizando FIFO y LRU y calcule el hit-rate en cada caso.
47 Solución
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