Управљање меморијом

1. Управљање меморијом Улога меморије у рачунарском систему Концепт голе машине Резидентни монитор Пребацивање Вишеструке партиције Страничење Сегментација

2. Улога меморије у рачунарском систему • Код мултипрограмирања процеси деле меморију као један од најважнијих ресурса система. • Меморија је дугачак низ речи или бајтова који имају своје адресе. • Интеракција са меморијом одвија са кроз низ читања или уписа у локације са одређеном адресом.

3. Сл. 1. Централни положај меморије у рачунарском систему. У/Исистем CPU меморија Улога меморије у рачунарском систему • CPU прибавља инструкције и податке из меморије и смешта податке у меморију.

4. Улога меморије у рачунарском систему • Кориснички програм пролази кроз неколико корака пре свог извршења. Адресе се могу представљати на различите начине у току тих корака. • Адресе у изворном програму су у општем случају симболичке (имена променљивих).

5. Улога меморије у рачунарском систему • Компилатор обично повезује те симболичке адресе са релокатибилним адресама. • Едитор веза или пунилац повезује релокатибилне адресе са апсолутним адресама. • Свако повезивање је пресликавање из једног адресног простора у други.

6. Улога меморије у рачунарском систему • Најзад се програм преслика у апсолутне адресе и напуни у меморију. • Током извршења програма приступа се његовим инструкцијама и подацима генерисањем њихових апсолутних адреса.

7. Улога меморије у рачунарском систему • По завршетку програма меморијски простор који му је додељен се проглашава слободним и наредни програм може да се изврши.

8. Улога меморије у рачунарском систему • Типичан циклус инструкције почиње њеним прибављањем из меморије. • Инструкција се декодира и по потреби прибављају њени операнди из меморије. • После извршења резултат се смешта у меморију.

9. Улога меморије у рачунарском систему • Јединица меморије види само низ меморијских адреса незнајући како су оне генерисане (који је адресни начин рада употребљен) и шта оне представљају (инструкције или податке).

10. 0 Корисник 32K Сл. 2. Гола машина. Концепт голе машине • Најједноставнији алгоритам за управљање меморијом је непостојећи! • Корисник има на располагању голу машину и потуну контролу над меморијским простором.

11. Концепт голе машине • Предности: • максимална флексибилност и једноставност; • не постоји потреба за посебним хардвером или системским софтвером.

12. Концепт голе машине • Озбиљан недостатак је у томе што овај систем не пружа никакве услуге! • Стога се овај систем користи само у специјални апликацијама где корисници захтевају флексибилност и једноставност.

13. Резидентни монитор • Следећа једноставна шема је да се меморија подели на два дела, један за корисника и један за резидентни монитор оперативног система. • Постоји могућност да се резидентни монитор смести или на почетак или на крај меморије што зависи од локације вектора прекида.

14. 0 Монитор Заштитни регистар Корисник 32K Резидентни монитор Сл. 3. Резидентни монитор.

15. Резидентни монитор • Потребно је штитити код и податке монитора. • Ову врсту заштите пружа хардвер и може се обавити на више начина.

16. Заштитни регистар Меморија CPU да адреса адреса (заштитни регистар) не Трап адресна грешка Резидентни монитор Сл. 4. Хардверска адресна заштита за резидентни монитор.

17. Резидентни монитор • Заштитни регистар се може имплементирати на више начина. • Један приступ је да се у хардвер угради константна вредност заштитне адресе, али ово решење није флексибилно. • Често се користи посебан заштитни регистар у који се садржај уписује привилегованим инструкцијама.

18. Резидентни монитор • Следећи проблем је пуњење корисничког програма. • Иако адресни простор почиње од адресе 0, прва адреса у корисничком програму није 0, већ прва адреса после вредности у заштитном регистру.

19. Резидентни монитор • Ова промена утиче на адресе коришћене у корисничком програму. • Повезивање инструкција и података са меморијским адресама може се извршити или у време компилације или у време пуњења.

20. Резидентни монитор • Ако је вредност заштитне адресе позната у време компилације може се генерисати апсолутни кôд. Овај кôд ће почети од заштитне адресе и простираће се нагоре. • Међутим, ако се вредност заштитне адресе промени потребно је поновно превођење програма.

21. Резидентни монитор • Алтернатива је да компилатор генерише релокатибилни кôд. Тада се повезивање одлаже до момента пуњења. У том случају, код промене заштитне адресе, потребно је само поновно пуњење програма.

22. Резидентни монитор • У оба случаја, вредност заштитне адресе мора да буде статичка током извршења програма. • Али, има случајева када је пожељно да се мења величина монитора током извршења програма, а тиме и заштитна адреса. • Такав кôд се понекад назива транзиентнимониторски кôд.

23. Резидентни монитор • Постоје два начина да се модификује основна шема да би се омогућила динамичка промена величине монитора. • Оперативни ситем рачунара PDP-11 користио је приступ приказан на следећој слици.

24. 0 Монитор Заштитнирегистар Корисник 65K Резидентни монитор Сл. 5. Пуњење корисничког програма у вишу меморију.

25. Резидентни монитор • Општији приступ, коришћен код рачунара CDC 6600, је да се одложи повезивање адреса до времена извршења.

26. Базни регистар 1400 Меморија Логичка адреса 0346 Физичка адреса 1746 CPU + Резидентни монитор Сл. 6. Динамичка релокација која користи релокациони регистар.

27. Пребацивање • Управљање меморијом са резидентним монитором је једнокорисничка шема. • Ипак, прва два time-sharing система (CTSSи Q-32) користила су ову шему.

28. Пребацивање • Остатак меморије био је расположив кориснику који се извршавао, а када се прелазило на следећег корисника садржај корисничке меморије пребацивао се на секундарни меморијски медијум.

29. Монитор Заштитни регистар Корисник 1 Корисник Корисник 2 Главна меморија Секундарна меморија Сл. 7. Пребацивање два корисника на секундарни меморијски медијум. Пребацивање • Ова шема назива се пребацивање (swapping).

30. Монитор Бафер 1 Простор монитора Бафер 2 Заштитни регистар Кориснички програм који се извршава Сл. 8. Преклопљено пребацивање. Пребацивање • Време пребацивања контекста може се смањити преклапањем пребацивања и извршења програма.

31. Вишеструке партиције • Конфигурација меморије произашла из преклопљеног пребацивања ефективно је иста као код мултипрограмирања. • Сада се меморија дели на известан број области или партиција.

32. Вишеструке партиције • Две основне шеме су могуће: • Додела меморије у непрекидни партицијама фиксне дужине (MFT). • Додела меморије у непрекидним партицијама променљиве дужине (МVТ).

33. 0 Монитор Корисник 1 Доња граница Корисник 2 Горња граница Корисник 3 Корисник 4 128K • Сл.9. Два гранична регистра који дефинишу логички адресни простор. Вишеструке партиције • И овде је потребно штитити код и податке из једне области од програма из друге области. • Ова заштита може се обавити помоћу два регистра. • Ти регистри садрже горњу и доњу границу адреса које програм може легално да генерише, и могу се дефинисати као: • Гранични регистри. • Базни и гранични регистар.

34. Вишеструке партиције • Партиције фиксне дужине. Послови који пристижу у систем смештају се у ред спремних послова. Планер послова води рачуна о потребама сваког посла и расположивим меморијским областима.

35. Вишеструке партиције • Код доделе меморије могуће је да свака партиција има свој ред или да планер послова из јединственог реда бира послове (best-fit-only или best-available-fit). • Јављају се интерна и екстерна фрагментација.

36. Вишеструке партиције • Партиције променљиве дужине. Како би се минимизирале обе фрагментације користи се динамичка промена величине партиција. • На почетку је читава меморија расположена и назива се рупа. Послу се додељује онолико меморије колико му је потребно.

37. Вишеструке партиције • Ослобођена меморија поново поста је рупа а више суседних рупа уједињује се у једну. • Алгоритми доделе меморије су first-fit и best-fit. • И овде постоји проблем екстерне фрагментације који се може решавати компакцијом.

38. Страничење • MVT шема показује екстерну фрагментацију, најчешће стога што расположива меморија није континуална. • Страничење дозвољава да меморија додељена једном програму буде неконтинуална.

39. Физичка меморија Логичка адреса Физичка адреса CPU p d f d p f Странична табела Сл. 10. Хардвер потребан код страничења. Страничење

40. Број оквира 1 0 0 Страница 0 Страница 0 4 1 1 Страница 1 3 2 2 7 Страница 2 Страница 2 3 3 Страница 3 Страница 1 4 Странична табела 5 Логичка меморија 6 Страница 3 7 Физичка меморија Сл. 11. Странични модел логичке и физичке меморије. Страничење

41. Страничење • Величина странице одређена је хардверски и обично је степен двојке. • Ако је Pвеличина странице, тада логичка адреса U даје број странице pи офсет dна следећи начин: p = UdivP d = UmodP

42. Страничење • Странична табела се имплементира као скуп специјализованих регистара. • Диспечер CPU-a пуни те регистре као што то ради и са осталим. • Инструкције које пуне или модификују страничну табелу су привилеговане и само ОС може да их извршава.

43. Страничење • Ако странична табела није релативно мала онда се она држи у меморији, а базни регистар страничне табеле (Page Table Base Register - PTBR) садржи њену адресу.

44. Страничење • Проблем је што ради приступа неком податку морамо да имамо два обраћања меморији. • Решење овог проблема је да се користи асоцијативна меморија.

45. Страничење • Проценат успешног проналажења жељене ставке у асоцијативној меморији назива се фактор поготка (hit ratio).

46. Страничење • Ако је фактор поготка 80% а време претраживања асоцијативне меморије 50ns и време приступа меморији 750ns, тада можемо израчунати ефективно време приступа меморији као tef = 0.80(50+750)+0.20(50+750+750)

47. Сегментација • Сегментација је шема која подржава поглед на меморију као на скуп сегмената различите дужине. • Логички адресни простор је колекција сегмената који имају име (број) и дужину. • Адресе специфицирају име сегмента и офсет унутар сегмента. • За пресликавање адреса користи се сегментна табела.

48. Сегментна табела s граница база CPU (s,d) Меморија da + ne Трап адресна грешка Сл. 12. Хардвер за подршку сегментацији. < Сегментација

49. Сегментација • Као и странична табела, и сегментна табела може бити смештена у асоцијативној или у оперативној меморији.

50. Сегментација • Када је број сегмената релативно велики табела се смешта у меморију а на њу указује базни регистар сегментне табеле (Segment Table Base Register - STBR). • Како број сегмената може да варира користи се и регистар дужине сегментне табеле (Segment Table Length Register - STRL).