Sop_05_wyk_1.0.pdf

Systemy operacyjne

Pamięćwirtualna

Systemy operacyjne

Pamięćwirtualna

Wykład prowadzą:

Jerzy Brzeziński

Dariusz Wawrzyniak

Pamięć wirtualna jest organizacją zasobów pamięci, zrealizowaną w oparciu o

tzw. przestrzeń wymiany w pamięci drugiego rzędu (na dysku). Pamięć

operacyjna (fizyczna) jest dla tych zasobów tylko pewnym oknem,

przechowującym częśćzawartości na potrzeby bieżącego przetwarzania.

Stosowanie pamięci wirtualnej ma wiele zalet nie tylko związanych z

możliwością powiększenia zasobów pamięci ponad dostępną pamięć fizyczną.

Umożliwia bardziej racjonalne wykorzystanie pamięci operacyjnej, gdyż

programy tworzone sączęsto z nadmiarem w stosunku do typowych potrzeb. Na

przykład rozmiary tablic statycznych ustala się z nadmiarem w stosunku do

typowych potrzeb, w kodzie uwzględnia się obsługę sytuacji wyjątkowych do

których może nigdy nie dojść. Ten nadmiar nie musi być ładowany do pamięci.

Zastosowanie pamięci wirtualnej może też zmniejszyć czas odpowiedzi, gdyż

skraca czas ładowania kodu, który często odwzorowywany jest w przestrzeń

adresowąprocesu bezpośrednio z pliku i sprowadzany w niewielkich porcjach na

żądanie.

Celem wykładu jest przedstawienie zasady działania i problemów realizacji

pamięci wirtualnej oraz omówienie algorytmów wymiany stron pomiędzy

pamięciąoperacyjnąa pamięciądrugiego rzędu (obszarem wymiany).

Systemy operacyjne

Pamięćwirtualna

Systemy operacyjne

Plan wykładu

• Stronicowanie na żądanie

– obsługa błędu strony

–wymiana

• Problemy realizacji stronicowania na żądanie

– problem wyboru ofiary

– problem wznawiania rozkazów

• Algorytmy wymiany

– algorytmy wymiany na żądanie

– algorytmy wymiany ze sprowadzaniem na żądanie

– algorytmy wstępnego stronicowania

Pamięć wirtualna (2)

Podstawą funkcjonowania pamięci wirtualnej jest mechanizm stronicowania na

żądanie, od omówienia którego rozpoczyna się wykład. Działanie mechanizmu

oparte jest na stronicowaniu i polega na sprowadzaniu do pamięci operacyjnej

stron adresowanych przez procesor. Sprowadzenie strony jest zadaniem systemu

operacyjnego i realizowane jest w przypadku wystąpienia błędu strony. Ponieważ

pamięć operacyjna jest na ogół mniejsza od pojemności zasobów pamięci

wirtualnej, sprowadzenie może wymagać usunięcia innej strony — dochodzi

wówczas do wymiany. Realizacja pamięci wirtualnej oprócz wsparcia

sprzętowego wymaga rozwiązania dwóch zasadniczych problemów na poziomie

systemu operacyjnego:

•problemu wyboru ramki ofiary do wymiany strony, jeśli zajdzie potrzeba

wymiany,

•problemu wznawiania rozkazów, którego rozwiązanie sprowadza siędo

zapewnienia dostępności odpowiednio dużej liczby ramek dla procesu.

Rozwiązanie problem wyboru ofiary bazuje na przesłankach o charakterze

losowym i związane jest ściśle z algorytmem wymiany. Klasyfikacja i

omówienie algorytmów wymiany stanowiąostatniączęśćwykładu.

Systemy operacyjne

Pamięćwirtualna

Systemy operacyjne

Mechanizm stronicowania na żądanie

• Działanie mechanizmu: strony są sprowadzane do

pamięci tylko wówczas, gdy jest to konieczne, czyli

wówczas gdy następuje odniesienie do komórki o

adresie, znajdującym się na tej stronie

• Wymaganie sprzętowe

– tablica stron z bitem poprawności (ang. valid-invalid

bit) dla każdej pozycji (dodatkowo z bitem modyfikacji

i odniesienia),

– mechanizm reakcji na odniesienie do strony

niepoprawnej,

– urządzenie wymiany (ang. swap device) — pamięć

pomocnicza.

Pamięć wirtualna (3)

Stronicowanie na żądanie związane jest przede wszystkim z wymianą stron

pomiędzy pamięcią pierwszego rzędu (operacyjną, fizyczną) i drugiego rzędu

(masową, dyskową). Dzięki wykorzystaniu pamięci masowej można rozszerzyć

wirtualną przestrzeń adresową i tym samym zwiększyć stopień

wieloprogramowości lub uruchamiać zadania, których rozmiar wykracza poza

dostępną pamięć operacyjną. Kosztem wprowadzenia takiego mechanizmu jest

złożoność zarządzania pamięcią i narzut czasowy związany z dostępem,

wynikający z wykorzystania stosunkowo wolnej pamięci dyskowej.

Adresowanie stron odbywa się tak samo, jak w prostym stronicowaniu,

omówionym w poprzednim module. W tablicy stron przechowywany jest jednak

bit poprawności, informujący o stanie strony. Strona poprawna (ang. valid) to

taka, która zlokalizowana jest w pamięci operacyjnej. Odniesienie do takiej

strony nie wymaga jej sprowadzania. Jeśli zgodnie z wartościąbitu poprawności

strona jest uznana za niepoprawną, występuje błąd braku strony i zgłaszane jest

odpowiednie przerwanie diagnostyczne. W ramach obsługi błędu strony

następuje sprowadzenie strony z obszaru wymiany (ang. swap space),

umieszczenie w wolnej ramce i ponowne wykonanie rozkazu. Takie działanie

nazywa się leniwąwymianą (ang. lazy swapping).

Urządzeniem wymiany jest najczęściej dysk, na którym znajduje się plik

wymiany lub specjalnie wyodrębniona strefa (tzw. partycja wymiany).

W dalszej części wykładu zamiennie będzie używane sformułowanie:

adresowanie strony i odniesienie do strony , oznaczające wystawienie przez

procesor adresu logicznego komórki, zlokalizowanej na tej stronie.

Systemy operacyjne

Pamięćwirtualna

Systemy operacyjne

Obsługa błędu strony

system

operacyjny

tablica

stron

błąd prog.

urządzenie

wymiany

błąd

strony

procesor

p o

adres

logiczny

pamięć

Pamięć wirtualna (4)

Zgodnie z zasadątransformacji adresu w pamięci stronicowanej, w celu zamiany

numeru strony na numer ramki lokalizowany jest odpowiedni wpis w tablicy

stron. Wpis może być jednak w danej chwili niepoprawny (ang. invalid), gdyż

strona mogła zostaćusunięta z pamięci —zastąpiona innąstroną. W przypadku

odwołania się do strony, opisanej jako niepoprawna, następuje zgłoszenie błędu

(przerwania diagnostycznego), które obsługuje system operacyjny. W ramach

obsługi adresowana strona sprowadzana jest z obszaru wymiany do pamięci

operacyjnej.

Systemy operacyjne

Pamięćwirtualna

Systemy operacyjne

Powtórne wykonania rozkazu

tablica

stron

p —numer strony

f —numer ramki

o —przesunięcie

adres

fizyczny

f o

f i

procesor

p o

adres

logiczny

pamięć

Pamięć wirtualna (5)

Po sprowadzeniu strony do pamięci operacyjnej odpowiedni bit poprawności w

tablicy stron jest ustawiany. Przyjmijmy, że ustawienie bitu poprawności

oznacza, że strona jest poprawna (ang. valid). Następnie rozkaz, który

spowodował błąd strony, wykonywany jest ponownie przez procesor. To

odniesienie do pamięci, które spowodowało wcześniej błąd strony powinno teraz

wykonaćsiępoprawnie.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: