CAPITULO III. ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA

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1 CAPITULO III. ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA La memoria principal o memoria RAM (Random Access memory), es uno de los recursos más importantes que tiene el computador para la ejecución de sus procesos. Todo proceso para ser ejecutado necesita de memoria RAM. Al igual que los procesadores y cualquier elemento de hardware del computador, la memoria ha evolucionado en su tamaño físico, algoritmo de manejo, tamaño en bytes, velocidad de acceso, seguridad, etc. Los sistemas de administración de memoria se pueden dividir en dos clases, los que trasladan procesos entre la memoria y el disco durante la ejecución (intercambio y paginación) y los que no lo hacen. Este último es el más sencillo. Monoprogramación sin intercambio de paginación. Es el sistema más sencillo y solo permite ejecutar un programa a la vez, compartiendo la memoria entre el programa y el sistema operativo. Sistemas operativos a nivel de micros computadores que utilizaron estas memorias: CP/M, MS-DOS primeras versiones. Programa de usuario Modelos del ms-dos (primeras versiones) BIOS PROGRAMAS DEL USUARIO Sistema operativo Sistema operativo

2 Modelo de CP/M BIOS BDOS CCP TPA Parámetros del sistema Donde: BIOS, sistema básico de entradas y salidas. BDOS, sistema básico de operación del disco. CCP, procesador de comandos de consola. TPA, área transitoria de programas (donde se ejecutan los programas del usuario). Parámetros del sistema, contiene información básica del sistema. Multiprogramación con particiones fijas La memoria se divide en n particiones de igual o diferentes tamaños donde pudiese correr varios programas simultáneamente (multiprogramación). De esta forma se utilizaría mejor los recursos del computador. Este sistema genera dos problemas. Relocalización, para saber en qué partición se va a ejecutar el programa y de protección, para que un programa no interfiera con el otro. En las primeras versiones de este tipo de memoria cada partición tenía su propia cola, generando colas en algunas de ellas mientras que otras se encontraban en ocio. En versiones posteriores se corrigió esta deficiencia utilizando una sola cola para todas las particiones repartiendo los procesos equitativamente entre ellas.

3 Este sistema fue utilizado por el Sistema 360 de IBM. La seria inicial de IBM 370 también utilizó este tipo de memoria. La gran desventaja consistía en que cada partición era independiente. Si el programa a correr no cabía en la partición era imposible correrlo. Se buscaba otra partición de mayor tamaño o simplemente estructure o module el programa de tal forma que cupiese y así poder correrlo. Cada partición con su propia cola Una sola cola para todas las particiones Partición 4 Partición 4 Partición 3 Partición 2 Partición 1 Sistema Operativo Partición 3 Partición 2 Partición 1 Sistema Operativo INTERCAMBIO En los sistemas de tiempo compartido a veces no hay memoria principal para contener todos los procesos que están activos actualmente y hay que mantenerlos en disco duro y traerlos dinámicamente a memoria para poderlos ejecutar. En este caso existen dos estrategias: Intercambio: Consiste en traer a memoria cada proceso en su totalidad, ejecutarlo durante algún tiempo y colocarlo otra vez en disco. Memoria virtual: Permite a los programas ejecutarlos aunque solo estén parcialmente en memoria principal.

4 La diferencia entre particiones fijas y particiones variables es que en las particiones variables: el nro, ubicación y tamaño varían dinámicamente. En particiones variables es posible compactar la memoria hacia arriba o abajo, aprovechando mejor el recurso y evitando huecos pequeños. Espacio libre Espacio libre Espacio Libre Proceso C Espacio libre Proceso A Proceso B Proceso A Proceso C Proceso B Espacio libre Espacio libre Espacio Libre Proceso D Sistema operativo o Sistema operativo Sistema Operativo Sistema operativo Sistema operativo En intercambio se utilizan dos (2) técnicas: Administración de memoria con mapas de bits. Administración de memoria con listas enlazadas. Administración de memoria con mapas de bits. Consiste en dividir la memoria en unidades de asignación y a cada unidad de asignación se le asigna un bit: 0 libre y 1 ocupada Si la unidad de asignación es pequeña, entonces el mapa de bits será grande y si la unidad de asignación es grande, entonces el mapa de bit será pequeño, pero puede desperdiciarse una cantidad apreciable de memoria cuando el tamaño del proceso no es múltiplo exacto de la unidad de asignación. El problema que se presenta en este tipo de memoria es que al traer un proceso del disco duro, el s.o. tiene que buscar en el mapa de bits una serie de K bits en cero m(0) donde pueda caber el proceso. Esta función es lenta.

5 Proc. A Libre Proc.B Proc. C Libre Proc. D Proc. E Libre Administración de memoria con listas enlazadas Consiste en mantener una lista enlazada de segmentos de memoria libres y asignados. Donde un segmento es un proceso o un agujero entre dos procesos (ver figura pag. 316). La lista de segmentos puede estar ordenada por direcciones. Casa lista tiene un bit que define si es proceso o agujero, la dirección de inicio y el tamaño. A 0 5 H 5 2 B 7 4 C 11 4 H 15 4 D 19 7 E 26 4 H 30 X Se pueden presentar varios algoritmos para asignar memoria: Primer ajuste: Es el más sencillo y rápido ya que la búsqueda es más corta. El agujero se divide en dos segmentos: uno para el proceso y otro para la memoria desocupada. (muy casual que coincida el hueco con el tamaño del proceso). El proceso se ubica en el primer agujero que quepa. Siguiente ajuste: Busca un agujero que quepa el proceso a partir de donde había quedado últimamente.

6 Mejor ajuste: Recorre toda la lista para averiguar el hueco que más se ajuste al tamaño del proceso. Algoritmo lento por tener que recorrer toda la lista y además desperdicia pequeños agujeros en memoria que de pronto no sirven para cargar un procesos. (desperdicio de memoria). Peor ajuste: Consiste en tomar el agujero más grande, donde se desperdicia huecos grandes que pueden servir para nuevos procesos Ajuste rápido: consiste en tener varias lista por separado de algunos tamaños de los más comunes solicitados. Por ejemplo una lista de agüeros de 4k, otra de 8k, etc y así buscar en la lista que más coincida con el tamaño del proceso. Se recomienda mantener una lista de agujero y otra de procesos, porque al fin el algoritmo lo que busca es agujeros no procesos. MEMORIA VIRTUAL Cuando un programa era de mayor tamaño a la memoria física del computador, para poderlo correr se inventaron una solución llamada SUPERPOSICIONES, que consistía en dividir el programa en fragmentos. Se corría la primera superposición, cuando terminaba se corría la segunda y así sucesivamente. Las superposiciones se guardaban en el disco. El problema consistía en que el programador debía de fragmentar el programa, llegando a ser engorrosa y difícil esta labor. Con el fin de solucionar este problema se inventó un método llamado MEMORIA VIRTUAL (Fotheringham, 1961). Si el programa, sus datos y su pila pueden exceder el tamaño de la memoria física. El sistema mantiene en memoria principal las partes del programa que se está ejecutando y el resto en el disco. Paginación MOVE REG, 1000 Está copiando el contenido de la dirección de memoria 1000 en REG. Estas direcciones generadas por el programa se denominan direcciones virtuales y constituyen el espacio de direcciones virtual. La mayor parte de los sistemas de memoria virtual emplean una técnica llamada paginación. Cuando se usa memoria virtual las direcciones virtuales no pasan

7 directamente al bus de direcciones de memoria, en vez de ello se envía a una unidad de administración de memoria (MMU), un chip (hardware) que transforma direcciones virtuales en direcciones de memoria física. CPU envía direcciones virtuales a MMU Memoria Controlador del disco CPU MMU BUS Función MMU: envía direcciones físicas a memoria Relación entre las direcciones virtuales y las direcciones de la memoria física (real) Los espacios de direcciones virtuales se dividen en unidades llamadas páginas. Las correspondientes en la memoria física se denominan marcos de página. Las páginas y los marcos siempre deben tener el mismo tamaño. En las dos siguientes gráficas se muestra cómo es que se realiza la conversión de una dirección virtual en una física. Se toma una memoria real de 32k y un espacio de direcciones de 64k (direcciones virtuales). El tamaño de página es de 4K (4096 bytes), como se puede observar el tamaño de la memoria virtual es el doble de la real. Desde el espacio de direcciones virtuales se direccionan las 8 páginas (marcos) de la memoria real (0 7). El espacio de direcciones virtuales marcadas con una X significa que no está direccionando ninguna página (marco) real. En el hardware real, un bit de presente/ausente indica si la página tiene correspondencia o no. Si el espacio de direcciones no está direccionando el marco donde se encuentra la instrucción, entonces se produce una falla de página, se ejecuta el algoritmo de

8 sustitución de página (marco), se escribe el contenido del marco de página en el disco y se trae del disco la página donde está la dirección. Ejemplo. MOVE REG, 0 La dirección virtual 0 se envía a la MMU. La MMU ve que esta dirección virtual queda en la página 0 (0-4095) que según su transformación es el marco de página 2 ( ). Por tanto la MMU transforma la dirección a 8192 y la coloca en el bus. El DIN de memoria simplemente ve una solicitud de leer o escribir en la dirección 8192 lo cual hace. Así la MMU ha transformado efectivamente todas las direcciones virtuales entre 0 y 4095 en las direcciones físicas 8192 a MOVE REG, 8192 se transforma efectivamente en MOVE REG, porque la dirección virtual 8192 está en la página virtual 2 y ésta corresponde al marco de página 6 (Direcciones físicas a 28671). MOVE REG, se transforma efectivamente en la dirección física MOVE REG, ( = 12308) MOVE REG, no hay correspondencia ya que pertenecería al byte 12 dentro de la página virtual 8 (que comienza en 32768), la MMU se da cuenta que la página no tiene correspondencia, entonces se produce una falla de página. Como se transforma una dirección virtual en una dirección física real? Observando y tomando de ejemplo la figura Traducción de la dirección virtual a dirección real (física), la transformación se realiza de la siguiente manera: Los cuatro primeros bits dan la dirección de la página virtual. En es te caso hay 16 páginas entonces necesitamos de cuatro bits para poderlas referenciar. Los doce siguientes bits corresponden al tamaño de la página (4096 bytes = 4K, tamaño en este ejemplo de la página). En el ejemplo, la página 2 apunta al marco 6 (110). Son tres bits ya que con ellos puedo referenciar los 8 marcos (0 7) luego estos tres bits + 12 bits correspondientes al tamaño de la página forman la dirección real del marco de página.

9 Espacio Virtual de direcciones 60k 64k 56k 60k 52k 56k 48k 52k 44k 48k 40k 44k 36k 40k 32k 36k 28k 32k 24k 28k 20k 24k 16k 20k X X X X 7 X 5 X X X 3 4 } Página Virtual Dirección Memoria física 28k 32k 24k - 28k 20k 24k 16k 20k 12k 16k 12k - 16k 0 8k 12k 6 8k - 12k 4k - 8k 1 4k - 8k 0 k - 4k 2 0k - 4k } Marco página Tabla de páginas

10 Traducción de la dirección virtual a dirección real (física) Dirección física saliente Tabla 12 Páginas Página ausente Página presente Dirección virtual entrante

11 Tablas de páginas de multinivel Tablas páginas segundo nivel Tabla páginas nivel superior PT1 PT2 Offset

12 La estructura de una tabla de página puede ser la siguiente: Nro marco de página Modificada Protección Presente/ausente Referida Caché inhabilitado Presente/ausente: bit es 1, página presente y puede utilizarse. Bit es 0, página ausente Protección: Clase de acceso permitida. Lectura, escritura, ejecución. Modificada: Cuando se escribe en la página, el bit se coloca en 1. Referida: El bit se coloca en 1 cuando se hace referencia a esa página. Caché inhabilitado: Inhabilita la colocación en caché de la página. El propósito de la tabla de páginas es transformar páginas virtuales en marcos de página. Se puede presentar dos problemas: La tabla de páginas puede ser extremadamente grande. La transformación debe ser rápida. El primer caso por ejemplo: un procesador de 32 bits, puede direccionar un millón de páginas de 4k. Un procesador de 64 bits puede direccionar.. Hay que tener en cuenta que cada proceso necesita su propia tabla de páginas. En el segundo caso, la transformación de virtual a física se debe efectuar en cada referencia de memoria. Por lo general las instrucciones tienen un operador y un operando en memoria. Hay instrucciones que tienen dos o más operandos entonces necesita más de una referencia a memoria por instrucción. Esto come tiempo.

13 La solución ideal pero no real sería tener una sola tabla de páginas que consiste en un arreglo de registros de hardware con una entrada para cada página indexada por número página virtual. Una solución sería tener tablas de página multinivel. Con esto se evitar tener enormes tablas virtuales todo el tiempo en memoria ppal. TLB Buffer de consulta para la traducción. Para acelerar el desempeño de este sistema, la mayoría de las Unidades Centrales de Proceso (CPU) incluyen una MMU (unit memory manager) en el mismo chip, y mantienen una tabla de las traducciones de direcciones virtuales a reales usadas recientemente, llamada Translation lookaside Buffer (TLB). Es un cache y contiene aquellas entradas de la tabla de páginas usadas hace menos tiempo (más recientemente usadas). El uso de este buffer hace que no se requieran referencias de memoria adicionales, por lo que se ahorra tiempo al traducir. Como las páginas virtuales están la mayor parte en memoria, perjudicando el rendimiento de la máquina, los diseñadores se dieron cuenta de que muchos programas tienden a efectuar un gran número de referencias a un número pequeño de páginas y no al revés. La solución consiste en equipar al computador con un pequeño dispositivo de hardware para transformar las direcciones virtuales en físicas sin pasar por la tabla de páginas. TLB (Translation lookaside buffer) o también llamado memoria asociativa, donde generalmente se encuentra dentro del MMU y consiste en un número pequeño de entradas (por lo general mayor que 8 y menor a 64), cada entrada contiene información de una página. Una posible estructura de la tabla TLB es el siguiente ejemplo: Válida Página virtual Modificada Protección Marco página RW RX RW RW RX RX RW RW 75

14 Algoritmos de sustitución de páginas El algoritmo de sustitución de páginas óptimo. El algoritmo de sustitución de páginas no usadas recientemente. El algoritmo de sustitución de páginas, primero que entra, primero que sale (FIFO). El algoritmo de sustitución de páginas de segunda oportunidad. El algoritmo de sustitución de páginas por reloj. El algoritmo de sustitución de páginas menos recientemente usadas (LRU). El algoritmo de LRU en software (maduración). Algoritmo de sustitución de páginas óptimo Este algoritmo de reemplazo de páginas óptimo es fácil de describir pero imposible de implementar. Este algoritmo se basa en el número de instrucciones que se ejecutan antes de ser referenciada una página, es decir una página podría no necesitarse sino hasta 10, 100 o 1000 instrucciones después. La página es rotulada con ese nro., entonces cuando ocurre una falla de página, la candidata a ser reemplazada será la que tenga el rótulo más alto. Si la página ha sido actualizada entonces actualiza su correspondiente en el disco. Es imposible que el S.O. conozca con anterioridad las veces que la página ha sido referenciada. Por esto no es útil en la práctica. Con un simulador se podría conocer de antemano el número de referencia de las páginas y luego si se podría correr de nuevo el programa. Algoritmo de sustitución de páginas no usadas recientemente (NRU) Las páginas tienen asociadas dos bits: R para lectura de la página y M para modificarle (actualizarla). Estos bits se actualizan en cada referencia a memoria. Cuando se inicia un proceso el S.O. ponen en cero (0) los bits de todas las páginas. Periódicamente (por ejemplo en cada interrupción de reloj), se apaga el bit R a fin de distinguir las páginas a las que no se ha hecho referencia recientemente de la que si se han hecho.

15 Cuando ocurre una falla de página el S.O. examina todas las páginas y las divide en cuatro categorías con base en los valores actuales de sus bits R y M. Clase 0: no referida, no modificada Clase 1: no referida, modificada Clase2: referida, no modificada Clase 3: referida, modificada La clase 1 ocurre cuando una interrupción de reloj apaga el bit R de una página de clase 3. Las interrupciones de reloj no borran el bit M porque esta información la necesita para saber si hay que reescribir la página en el disco duro (actualizarla). El algoritmo NRU elimina una página al azar de la clase no vacía que tiene el número más bajo. Este algoritmo supone que es mejor eliminar una página modificada a la que no se ha hecho referencia en por lo menos un tic de reloj (por lo regular 20 ms) que una página limpia que no se está usando mucho. Algoritmo sencillo, fácil de implementar, fácil de entender con un rendimiento adecuado. Algoritmo de sustitución de páginas de primera que entra, primera que sale (FIFO) Existe una lista de páginas en la memoria, cuando ocurre una falla de página, entonces se aplica FIFO, es decir la que está a la cabeza de la lista es la más vieja y al final de la lista la más reciente, entonces se elimina la cabeza y la nueva página se coloca al final de la lista. Algoritmo de sustitución de páginas de segunda oportunidad. Una pequeña modificación de FIFO que evita el tener que desalojar una página muy utilizada. Consiste en inspeccionar el bit R de la página más vieja. Si es cero (0), entonces además de ser la página más vieja, no ha sido utilizada recientemente, entonces debe ser desalojada inmediatamente. Si el bit es uno (1), se coloca la página al final de la lista de páginas y se le apaga el bit R y se actualiza su tiempo su tiempo de carga como si acabara de s er traída a la memoria. Luego continúa su búsqueda. El algoritmo lo que hace es buscar una página vieja a la que no se le haya hecho referencia en el intervalo del reloj anterior. Algoritmo de sustitución de página por reloj

16 Como el algoritmo anterior cambia constantemente de posición las paginas en la lista no es muy eficiente, en cambio este algoritmo forma una lista circular con todas las páginas de acuerdo a su antiguedad, donde una manecilla de reloj apunta a la página más vieja. Cuando ocurre una falla de página, se inspecciona la página apuntada por la manecilla del reloj, si R=0, entonces la página es desalojada inmediatamente y se coloca en su lugar una nueva y la manecilla avanza a la siguiente página. Si R es 1, entonces se coloca en 0 y la manecilla avanza a la siguiente página, Algoritmo de sustitución de páginas menos recientemente usadas (LRU) Consiste en mantener una lista con todas las páginas que están en memoria, con la página más recientemente utilizada al frente y la menos recientemente utilizada al final. El problema es actualizar la lista cada vez que se hace referencia a memoria (consume tiempo). Otra forma de implementar LRU es utilizar un contador para cada página donde se lleva el cálculo de la página cada vez que se referencia. Cuando ocurre una falla de página, el algoritmo mira cual contador es el más bajo, luego esa es la página a eliminar (LRU). (a nivel de hardware) Hay otro método en LRU consistente en una máquina con n marcos de página, entonces pude mantener una matriz de n*n que inicialmente son ceros. Cada vez que hace referencia al marco de la página k, se colocan 1 a todos los bits de la fila k y cero (0) a todos los bits de la columna k, en un instante la fila cuyo valor sea el más bajo será la página LRU. (a nivel de hardware). Ejemplo: Cuatro marcos de página y referencia a las páginas en el siguiente orden: 0, 1, 2, 3, 2 Tiempo: t=0 t=k t=m t=n t=n+x Paginas

17 Simulación de LRU en software (algoritmo de maduración) Pero todas las computadores no cuentan con ese hardware entonces lo hacen a nivel de software con el algoritmo NFU (No utilizado frecuentemente) donde cada página tiene asociado un contador. Inicialmente todos los contadores están en cero y trabaja de la siguiente forma: Inicialmente todos los contadores están en cero. Todos los contadores se desplazan un bit a la derecha antes de sumarle el bit R. El bit R se suma al bit de la extrema izquierda, no a la extrema derecha. Cuando ocurre una falla de página, se elimina la página cuyo contador sea el de valor más bajo. Bit R Bit R Bit R Bit R Bit R Páginas 0-5 Páginas 0-5 Páginas 0-5 Páginas 0-5 Páginas 0-5 Tic reloj 0 Tic reloj 1 Tic reloj 2 Tic reloj 3 Tic reloj

18 SEGMENTACIÓN La memoria virtual tratada hasta el momento es unidimensional (direcciones desde 0 hasta un máximo). Todas las páginas se encuentran consecutivamente unas detrás de otras. Esto trae como problemas que de pronto unas tablas puedan chocar contra otras. Esto puede ocurrir principalmente en el espacio de datos del proceso, cuando estos crecen en forma exponencial. Cuando se presenta este problema el proceso puede cancelar o de pronto asignarle más espacio que esté sobrando en otras partes, pero con el costo en tiempo que esto acarrea. Una solución directa consiste en proveer a la máquina de muchos espacios de direcciones totalmente independientes llamados SEGMENTOS. Cada segmento consiste en una secuencia lineal de direcciones desde 0 hasta un máximo permitido. Los diferentes segmentos suelen tener diferentes longitudes y variar durante la ejecución de un proceso. Para especificar una dirección en esta memoria segmentada o bidimensional, el programa debe proporcionar una dirección de dos partes: Un nro de segmento y una dirección dentro de ese segmento. En resumen podemos decir que un segmento es una entidad lógica de la cual el programador está consciente y que utiliza como entidad lógica. Un ejemplo de este tipo de memoria es el utilizado por el procesador Pentium de Intel que utiliza la técnica de SEGMENTACIÓN CON PAGINACIÓN. Es decir cada segmento está formado por páginas luego para referirnos a un lugar dentro de una página específica su dirección estaría formada por tres campos: uno para especificar el segmento, otro para especificar la dirección de la página dentro del segmento y otro para el desplazamiento dentro de la página. Ejemplo: El segmento X donde se encuentra la página Y y la instrucción Z dentro de la página Y.

19 Comparación de paginación y segmentación Consideración Paginación Segmentación El programador necesita estar consciente que se No Si está usando esta técnica? Cuantos espacios de direcciones lineales hay? 1 Muchos El espacio de direcciones total puede exceder el Si Si tamaño de la memoria física? Se puede distinguir los procedimientos de los datos No Si y protegerse de forma independiente Se pueden manejar fácilmente tablas cuyo tamaño No Si fluctúa? Se facilita la compartición de procedimientos entre usuarios? No Si Porqué se inventó esta técnica? Para tener un espacio direcciones lineal grande Sin tener que adquirir más memoria física Para poder dividir los programas y los datos en espacios de direcciones lógicamente independientes y facilitar la compartición y la protección.