Nombre del estudiante: Gustavo Antonio González Morales. Nombre del trabajo: Tarea 2. Investigación sobre Paginación y Segmentacion. Fecha de entrega: 10 de Mayo de 2013. Campus: Villahermosa. Carrera: Ingeniería en Sistemas Computacionales. Materia: Sistemas Operativos I. Nombre del maestro: Carlos Castro. 1
Paginación La paginación es una estrategia de organización de la memoria similar a la segmentación pero con ciertas diferencias, por ejemplo la memoria se considera un espacio continuo dividido en porciones de igual tamaño fijo (frente a la división en segmentos de tamaño variable de la segmentación), a dichas porciones se las conoce como marcos de página o simplemente como páginas. Las páginas están definidas por un número de página, que identifica de forma única a cada página (dentro del espacio de memoria de un proceso). Cada página se asigna en exclusividad a un proceso. Funcionamiento Desde el punto de vista de la paginación la traducción de las direcciones de memoria se basa en dos conceptos: 1. El dispositivo traductor divide las direcciones lógicas en 2 partes de la siguiente forma: los n bits más significativos identifican la página mientras que el resto identifica el desplazamiento. 2. Cuando el traductor dinámico de páginas recibe, en una dirección lógica, un número de página este examina una tabla (llamada tabla de páginas) en la cual se relacionan las páginas lógicas con las páginas físicas y obtiene la dirección real (Número de marco) de la siguiente forma: 2
Al igual que en la segmentación al intentar acceder a una página ausente se produce un fallo (llamado en este caso fallo de página). Otras características Los valores óptimos para las porciones son: en arquitectura de 32 bits es de 4KB, y en arquitectura de 64 bits es de 8KB. Los criterios vistos en el tema anterior no se aplican aquí, no tiene sentido hacerlo ya que todas las páginas de memoria son iguales. Dispositivo de traducción de direcciones paginadas Se dispone de la tabla de páginas de cada proceso en memoria para llevar a cabo la traducción. La tabla de páginas se indexa por número de página. El dispositivo de traducción de direcciones paginadas debe ser un dispositivo muy rápido, ya que se usa con cada acceso a memoria que se realiza. El tamaño de la tabla de páginas es uno de los aspectos que más influye en el diseño del dispositivo e incluso en la organización de la propia tabla. Otro aspecto relevante es la localización de dicha tabla, la cual puede encontrarse en el traductor o guardada en memoria: Tabla de páginas en el traductor: Se usa en equipos cuyo espacio de direcciones es de pocas páginas. El dispositivo de traducción contiene un conjunto de registros organizados como una memoria en los cuales almacena la tabla de páginas. Dicha página debe sustituirse (lo cual aumenta el tiempo de conmutación) en dos situaciones distintas: al cambiar de proceso y al transferir el control al sistema operativo (en este caso se reduce el tiempo de conmutación utilizando dos tablas separadas, una para los procesos y otra para el sistema operativo, las cuales se utilizan dependiendo del modo de uso de la CPU, supervisor o usuario). Tabla de páginas en memoria: Se usa en equipos con mucha memoria, en los cuales el número de páginas puede llegar a ser muy alto con lo que el tiempo necesario para cargar las páginas en el traductor es demasiado alto. La tabla de páginas es guardada en la memoria principal y el dispositivo traductor tiene la dirección de comienzo y el tamaño de la tabla, debido a que la tabla 3
está en la memoria principal se necesita, por cada acceso a memoria, un acceso a memoria adicional para obtener el número de página física asociado a la página lógica. Para mantener un tiempo de acceso aceptable se establece una memoria asociativa que conserva las parejas página lógica-página física utilizadas recientemente. También hay dispositivos traductores que no utilizan tablas de páginas, buscan directamente la información en una memoria asociativa, y si no la encuentran, lanzan una excepción que manejará el sistema operativo. Así, el SO es el responsable de determinar la asociación entre números de página y números de marco, y además de actualizar la memoria asociativa, lo que da cierta flexibilidad. Tabla de páginas multinivel El objetivo es paginar la tabla de páginas lo que permite que esta no esté cargada completa en memoria y que no ocupe direcciones consecutivas. En los sistemas operativos con tablas de páginas multinivel los números de página se dividen en dos partes: los bits más significativos indican el directorio de páginas correspondiente y con los bits menos significativos el índice del directorio en el que se encuentra la página buscada: 4
Tabla de páginas para todo el sistema: Es una variante de las tablas de página multinivel, en la que el dispositivo traductor sólo contiene una entrada por cada proceso, indexadas por PID, y una dirección de tabla que contiene las páginas de dicho proceso. Así, ante una conmutación de procesos basta con cambiar de PID. Elementos de administración La administración es sencilla ya que todas las porciones de memoria son de igual tamaño (se limita a comprobar si hay suficientes marcos libres para ejecutar el proceso). Se pueden usar: Tabla de asignación de marcos a procesos: Tiene una entrada por marco, que contiene el PID del proceso que lo tiene asignado, o 0, si está libre. Lista de marcos asignados a procesos: Dado que el número de marcos es fijo, se implementa mediante una tabla. Estas listas tienen una entrada por marco. En cada entrada está, o el siguiente marco en la lista, o -1 si el marco es el último. Hay una lista global de marcos libres, y una lista por proceso de marcos ocupados. Para ayudar a la gestión, cada proceso tiene en su PCB los índices del primer y el último marco que tiene asignados. Segmentación Un segmento es un espacio de memoria de tamaño variable, compuesto por: Descriptor: Identificador único del segmento (dentro del espacio de memoria del proceso). Tamaño del segmento 5
Funcionamiento Características Cada proceso en ejecución (esté activo, bloqueado o preparado) tiene su tabla de segmentos. Solapamiento: Se puede hacer que 2 segmentos se superpongan de manera que compartan direcciones de memoria física con direcciones lógicas diferentes. Para evitar problemas de concurrencia, debe de indicarse explícitamente que una porción de memoria puede ser compartida. De esta manera, procesos diferentes pueden compartir información y código usando la memoria común. Protección de memoria: añadir 3 bits a la tabla de descriptores de segmentos para los permisos (r w x). Cuando un proceso requiere más memoria se crea un nuevo segmento. Dos instancias de un mismo proceso pueden compartir segmentos de memoria de instrucciones/código, pero no para datos ya que esto complicaría la gestión. No se redimensionan. Gestión compleja, sobre todo por su tamaño variable 6
Permite la carga de segmentos a petición, de manera que no se disponga de todos los segmentos en memoria principal, que se puedan descargar a disco (en la zona de intercambio o swap) en base a un cierto criterio (ver Memoria virtual). Esta zona de intercambio puede ser: Un lugar fijo en el disco (Linux, Unix). El administrador de memoria decide qué segmento se va a descargar Un fichero oculto de tamaño fijo o variable dependiendo de la configuración dada por el usuario (Windows). Mecanismos Los diferentes mecanismos que nos ofrece la segmentación de memoria son los siguientes. Carga de segmentos a petición Es un mecanismo que permite a un proceso no disponer de todos sus segmentos en memoria principal, se pueden descargar a disco (en la zona de intercambio o swap) segmentos en base a un cierto criterio (ver Memoria virtual). Esta zona de intercambio puede ser: Un lugar fijo en el disco (Linux, Unix). El administrador de memoria decide qué segmento se va a descargar Un fichero oculto de tamaño fijo o variable dependiendo de la configuración dada por el usuario (Windows). Formas de uso de los descriptores En cuanto a aspectos materiales, se plantea el problema de que no es habitual que la tabla de segmentos quepa en el dispositivo de traducción (MMU), por lo que se almacena la tabla en memoria, y el MMU contiene su dirección. El problema es que esta técnica hace que el tiempo de acceso se duplique, al haber un primer acceso al MMU y un segundo acceso a la dirección efectiva. Se plantean dos soluciones no excluyentes: Uso de registros descriptores de segmento en MMU: En MMU nos encontraremos varios registros que pueden contener descriptores, en los que se copiarán los que se vayan a usar en un futuro inmediato. Hay dos tipos de registros: 7
Registros de propósito general: Registros sobre los que se cargan los próximos descriptores a usar, y dos tipos de direcciones: - Las que hacen referencia a un descriptor en la tabla de memoria (y necesitan más bits para hacer referencia al descriptor) - Las que hacen referencia a un descriptor en MMU (y necesitan menos bits para referir al descriptor) Registros especializados: Registros capaces de albergar a un descriptor concreto, como el DS (Para manejo de datos), SS (Para manipulación de pila) o el CS (Para instrucciones de salto y llamadas a rutinas). También existen dos tipos de direcciones: - Las que hacen referencia a un descriptor en la tabla de memoria - Las que no hacen referencia a ningún descriptor, y emplean descriptores de MMU, según el tipo de instrucción Uso de descriptores en memoria asociativa (Cache): La MMU contiene una memoria asociativa indexada por número de descriptor. Para cada acceso, se busca en la memoria asociativa el número de descriptor, y si no está, se carga a esta (Si se llena la memoria asociativa se lleva a cabo reemplazo). Este tipo de memoria es transparente, por lo que se puede usar en conjunción con registros descriptores de segmento en MMU. SUPERPOSICIÓN DE SEGMENTOS Varios segmentos pueden estar parcial o totalmente solapados en memoria. Una dirección física se puede corresponder con múltiples direcciones lógicas. Los segmentos superpuestos pueden tener incluso distintos permisos (segmento 0 y 1). Si son totalmente superpuestos se denominan segmentos alias. Se aplica para implementar la técnica de "copy on write" (animación). Se crea inicialmente un segmento de datos, con permiso de lectura y escritura. Al crear el segmento de COW, este se crea con la misma dirección y tamaño (totalmente solapado), pero nótese que se quita el permiso de escritura en ambos segmentos. Si se intenta escribir en uno de los dos, se produce un fallo de protección. Entonces se copia el segundo segmento sobre una nueva ubicación, actualizándose su dirección y restituyéndose en ambos el permiso de escritura. Otra aplicación: en un micro que no permita modificar segmento de código, se puede crear un segmento alias de dato para modificarlo. 8
Crecimiento de proceso Existen dos formas de crecimiento: Asignando nuevos segmentos al proceso, y haciendo crecer algún segmento asignado. Para crecer un segmento: si hay suficiente espacio libre detrás, se cambia el tamaño en el descriptor; si no hay suficiente espacio: se copia al hueco libre (compactando si es necesario) y se cambia el tamaño (y dirección base, claro está). Existe la posibilidad de crecimiento automático, a cada segmento se asocia un atributo "permitir crecer"; Si se sobrepasa el límite en un segmento que puede crecer, el tratamiento de la excepción es el que hará crecer al segmento. Gracias a la segmentación, todas las direcciones son reubicables. 9