Hardware y Estructuras de Control. Memoria Virtual. Ejecución de un Programa. Ejecución de un Programa

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1 Memoria Virtual Capítulo 8 Hardware y Estructuras de Control Las referencias de memoria se traducen a direcciones físicas dinámicamente en tiempo de ejecución Un proceso puede ser intercambiado hacia dentro o fuera de la memoria principal ocupando diferentes regiones Un proceso se puede dividir en trozos que no sean asignados de forma contigua en memoria principal Todos los trozos de un proceso no necesitan estar cargados en memoria principal durante la ejecución 2 Ejecución de un Programa El sistema operativo trae a memoria principal unos cuantos trozos del programa Conjunto Residente: porción del proceso que está en memoria principal Se genera una interrupción cuando se necesita una dirección que no está en memoria principal El sistema operativo pone al proceso en un estado de bloqueado Ejecución de un Programa Se trae a memoria principal la parte del proceso que contiene la dirección lógica El S.O. emite una petición de lectura al disco Otro proceso entra en ejecución (se despacha) mientras la operación de E/S tiene lugar Cuando se completa la lectura del disco, se produce una interrupción que hace que el S.O. ponga en estado activo (ready) al proceso afectado 3 4

2 Ventajas de Dividir un Proceso Se puede mantener en memoria principal más procesos Sólo se carga algunas partes de cada proceso Con tantos procesos en memoria principal, más probable es que haya un proceso en estado de listo (ready) en cualquier instante. Un proceso puede ser mayor que toda la memoria principal Memoria Real Memoria principal Memoria Virtual Tipos de Memoria Memoria en disco Permite la multiprogramación eficaz y libera al usuario de la limitación en tamaño de la memoria principal 5 6 Sobrepaginación (thrashing) Sacar de memoria una parte de un proceso justo antes de que se vuelva a necesitar El procesador invierte la mayor parte del tiempo en intercambiar trozos de proceso en vez de en ejecutar las instrucciones del usuario Principio de Localidad Las referencias al programa y las datos de un proceso tienden a agruparse Sólo unas pocas partes de un proceso serán necesaria en un intervalo corto de tiempo Es posible hacer suposiciones inteligentes sobre qué partes se necesitarán en el futuro Esto sugiere que la memoria virtual puede ser eficiente 7 8

3 Soporte Necesario para Memoria Virtual El hardware debe soportar paginación y segmentación El sistema operativo debe ser capaz de gestionar el movimiento de páginas y/o segmentos entre la memoria secundaria y la memoria principal Paginación Cada proceso tiene su propia tabla de páginas Cada entrada en la tabla de páginas contiene el número del marco en memoria principal de la página correspondiente Se necesita un bit para indicar cuando la página está en memoria principal o no 9 10 Bit de Modificación en la Tabla de Páginas Se necesita otro bit para indicar si se ha modificado el contenido de la página desde que se cargo en memoria principal Si no se ha realizado ningún cambio, la página no tiene que ser escrita en el disco cuando haya que sacarla de memoria (swap out) Entradas en Tablas de Página 11 12

4 Esquema de Dos Niveles para Direcciones de 32 bits 14 Tablas de Páginas La tabla de paginas completa puede ocupar mucho espacio en memoria principal La tabla de páginas también se almacena en memoria virtual Cuando un proceso se ejecuta, parte de su tabla de páginas está en memoria principal Translation Lookaside Buffer Cada referencia a memoria virtual puede causar dos accesos a memoria física una consulta en la tabla de páginas una para buscar el dato Para superar el problema se coloca una cache de alta velocidad para entradas de tablas de página llamada TLB - Translation Lookaside Buffer 15 16

5 Translation Lookaside Buffer Contiene las entradas de tablas de página que han sido usadas más recientemente Funciona igual que una memoria cache Translation Lookaside Buffer Dada una dirección virtual, el procesador examina la TLB Si se encuentra la entrada de la tabla de página (hit), se lee el número del marco y se forma la dirección real Si no se encuentra la entrada de la tabla de página (miss), el número de la página se usa como índice en la tabla de página del proceso Translation Lookaside Buffer Primero se comprueba si la página está todavía en memoria si no está en memoria se produce un fallo de página La TLB se actualiza para que incluya la nueva entrada de página 19 20

6 Tamaño de Página Cuanto menor es el tamaño de página, menos volumen de fragmentación interna Cuanto menor es el tamaño de página, más página se necesitan por proceso Más páginas por proceso dan lugar a tablas de páginas mayores Tablas de páginas mayores, mayor porción de la tabla de páginas en memoria virtual La memoria secundaria está diseñada para transferir grandes bloques de datos, desde este punto de vista es mejor un tamaño de página grande 22 Tamaño de Página Tamaño de página pequeño, encontramos muchas páginas en memoria principal. A medida que transcurre la ejecución, las páginas que están en memoria contendrán las porciones de proceso con las referencias más recientes. Pocos fallos de página. Incrementar el tamaño de página contendrá posiciones lejanas a cualquier referencia reciente. Se incrementan los fallos de página

7 Tamaño de Página Ejemplos de Tamaño de Página Tamaños de página múltiples proporcional la flexibilidad necesaria para un uso eficiente de la TLB Para las instrucciones del programa se pueden usar páginas grandes Para los threads se pueden usar páginas pequeñas La mayoría de los sistemas operativos sólo soportan un tamaño de página Segmentación Pueden ser diferentes, tamaño dinámico Simplifica la gestión de estructuras de datos que crecen Permite a los programas ser modificador y recompilados independientemente Presta compartición de datos entre procesos Presta protección Tablas de Segmentación Correspondientes a segmentos en memoria principal Cada entrada contiene la longitud del segmento Se necesita un bit para indicar si el segmento sigue en memoria Se necesita otro bit para determinar si el segmento ha sido modificado desde que se cargó en memoria 27 28

8 Entradas de Tablas de Segmentación Segmentación y Paginación combinada La paginación es transparente al usuario La paginación elimina la fragmentación externa La segmentación es visible al programador La segmentación permite estructuras de datos que crecen, modularidad y da soporte a la compartición y protección Cada segmento se divide en páginas de tamaño fijo Segmentación y Paginación combinada 31 32

9 Política de Búsqueda Política de Búsqueda (fetch) Determina cuando se debe cargar en memoria una página La paginación por demanda sólo trae páginas a memoria principal cuando se hace referencias a posiciones de la página Hay muchos fallos de página cuando comienza un proceso La prepaginación trae más página de las requeridas Es más eficiente traer páginas que está contiguas en disco Política de Ubicación Política de Reemplazo Tiene sentido en sistemas segmentados no paginados y en entornos multiprocesador Política de Reemplazo Qué página debe ser reemplazada? La página eliminada debe ser aquella que tiene menos probabilidad de ser referenciada en el futuro La mayoría de las políticas predicen el comportamiento futuro basándose en el comportamiento pasado Política de Reemplazo Bloqueo de Marco Si un marco está bloqueado, no puede ser reemplazado El kernel del sistema operativo Las estructuras de control Buffers de E/S Existe un bit de bloqueo asociado a cada marco Algoritmos de Reemplazo Básicos Política Óptima Selecciona para reemplazar la página que tardará más tiempo en ser referenciada Es imposible tener un conocimiento perfecto de los eventos futuros 35 36

10 Algoritmos de Reemplazo Básicos Menos Recientemente Utilizada (LRU) Del inglés, Least Recently Used Reemplaza la página que ha sido referenciada hace más tiempo Por el principio de localidad, ésta debe ser la página con menos probabilidad de ser referenciada en el futuro Cada página puede ser etiquetada con la hora de la última referencia. Esto supone una gran sobrecarga. Algoritmos de Reemplazo Básicos Primero en entrar, primero en salir Del inglés, First-in, first-out (FIFO) Trata los marcos de página asociados a un proceso como una cola circular Las página se eliminan siguiendo el estilo round-robin La política de reemplazo más sencilla de implementar La página que lleva más tiempo en memoria es la que se reemplaza Estas páginas pueden ser necesitadas muy pronto Algoritmos de Reemplazo Básicos Política de Reloj (clock) Necesita un bit adicional, bit de uso Cuando la página se carga en memoria se pone el bit de uso a 0 Cuando la página se referencia, el bit de uso se pone a 1 Cuando hay que reemplazar una página, la primera que se encuentre con el bit de uso a 0 se reemplaza Durante la búsqueda de reemplazo, cada bit de uso que esté a 1 se cambia a

11 Algoritmos de Reemplazo Básicos Buffer de páginas (page buffering) La página reemplazada pertenece a una de estas dos listas lista de páginas libres, si la página no ha sido modificada lista de páginas modificadas Tamaño del Conjunto Residente Ubicación fija se da al proceso un número fijo de página en las que ejecutarse cuando ocurre un fallo de página, una de las páginas de ese proceso se debe reemplazar Ubicación variable el número de páginas asignadas a un proceso varía durante el tiempo de vida del proceso Ubicación Variable, Ámbito global El más fácil de implementar Adoptado por muchos sistemas operativos Los S.O. mantienen listas de marcos libres Cuando ocurre un fallo de página se añade un marco libre al conjunto residente del proceso Si ha hay marcos libres, se reemplaza uno de otro proceso 43 44

12 Ubicación Variable, Ámbito Local Cuando se añade un nuevo proceso, se le asigna un número de marcos de página basado en el tipo de aplicación, la petición del programa u otros criterios Cuando ocurre un fallo de página, se selecciona una página de entre el conjunto residente del proceso que sufre la falta Asignación re-evaluable de una vez a otra Demanda de limpieza Política de Limpieza se escribe a disco una página cuando se selecciona para ser reemplazada Prelimpieza las página se escriben por lotes Política de Limpieza La mejor aproximación usa un buffer de páginas Las páginas reemplazadas están en dos listas Modificadas y no modificadas Las páginas de la lista de modificadas se escriben por lotes periódicamente Las páginas de la lista de no modificadas son recicladas si son referenciadas de nuevo o se pierden si el marco se asigna a otra página Control de Carga Determina el numero de procesos que estarán residentes en memoria principal Demasiado pocos, mayor probabilidad de que todos estén bloqueados y mucho tiempo dedicado al intercambio de procesos (swap) Demasiados procesos dan lugar a sobrepaginación (thrashing) 47 48

13 Suspensión de Proceso Proceso con la menor prioridad Proceso que falla este proceso no tiene su conjunto de trabajo (working set) en memoria principal, así que de todas formas se bloqueará Último proceso activado este proceso es el menos probable que tenga su conjunto de trabajo residente Suspensión de Proceso Proceso con el menor conjunto residente este proceso requiere el menor esfuerzo futuro de recarga Mayor proceso se obtiene la mayor cantidad de marcos libres Proceso con la mayor ventana de ejecución restante Gestión de Memoria de UNIX y Solaris Estructuras de Datos Sistema de Paginación Tabla de páginas Descriptor de Bloque de Disco Tabla de datos de marco de página Tabla de uso de swap 51 52

14 Estructuras de Datos Gestión de Memoria de UNIX y Solaris Reemplazo de página refinamiento de la política de reloj (clock) Asignador de Memoria del Kernel la mayoría de los bloques son más pequeños que el tamaño típico de página Gestión de Memoria de Linux Directorio de página Directorio central de página Tabla de página Gestión de Memoria de Windows 2000 Paginación W2K Available (disponible) Reserved (Reservada) Committed (Comprometida) 55 56

15 57

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