Sistem Operasi Komputer
BAB V VIRTUAL MEMORY
Tujuan: 1. Menggetahui penggunaan virtual memori dalam komputer 2. Mengetahui peran virtual memori dalam sistem operasi
5.1 Overlay Program dipecah menjadi bagian-bagian yang dapat dimuat memori, jika memori terlalu kecil untuk menampung seluruhnya sekaligus. Overlay disimpan pada disk dan di-keluarmasukkan dari dan ke memori oleh sistem operasi. Pembagian dilakukan oleh programmer.
Sistem Operasi Bagian Kode dan data pemakai yang harus selalu tinggal di memori utama selama eksekusi program Daerah Overlay 1 2 3
Fase Inisialisasi
Fase Pemrosesan
Fase Keluaran
Gambar 5.1 Struktur Umum Overlay
5.2 Virtual Memory Sistem operasi menyimpan bagian-bagian proses yang sedang digunakan di memori utama dan sisanya di disk. Virtual memory dapat diimplementasikan dengan tiga cara, yaitu: Paging Segmentasi Kombinasi paging dan segmentasi
66
Sistem Operasi Komputer
1.
Paging Sistem paging mengimplementasikan ruang alamat besar pada memori kecil
menggunakan index register, base register, segment register, dll. Istilah pada sistem paging: 1. Alamat virtual = V; Alamat yg dihasilkan dgn perhitungan menggunakan index register, base register, segment reg dsb. 2. Alamat nyata (real address = R); Alamat yang tesedia di memori utama fisik. 3. Page; Unit terkecil virtual address space. 4. Page frame; Unit terkecil memori fisik. 5. Page fault; Permintaan alokasi page ke memori yang belum dipetakan. 6. MMU (Memory Management Unit); Chip atau kumpulan chip yang memetakan alamat maya ke alamat fisik. CPU card
CPU CPU
mengirim
MEMORI
alamat MMU
DISK CONTROL LER
virtual ke MMU
BUS MMU mengirim alamat fisik ke memori Gambar 5.2 Posisi dan fungsi MMU
Alamat 0–4 K 4K–8 K 8 K – 12 K 12 K – 16 K 16 K – 20 K
Mem 2 ori 1 6 Virtu 0 4 al
Memori
Nyata
0–4 K 4K–8 K 8 K – 12 K 12 K – 16 K 16 K – 20 K 20 K – 24 K
67
Sistem Operasi Komputer
Gambar 5.3 Relasi Antara Alamat Virtual dan Alamat Fisik 2.
Tabel Page
Alamat virtual dibagi menjadi dua bagian: -
Nomer Page (bit-bit awal)
-
Offset (bit-bit akhir) Secara metematis: tabel page merupakan fungsi dgn nomer page sebagai argumen dan
nomer frame sebagai hasil.
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
68
Sistem Operasi Komputer
Nomer page = 2
Tabel Page
0
0
1
Offset 12 bit dicopy persis dari input ke output
0
010
1
1
001
1
2
110
1
3
000
1
4
100
1
5
011
1
6
000
0
7
000
0
8
000
0
9
101
1
10
000
0
11
111
1
12
000
0
13
000
0
14
000
0
15
000
0
0
0
0
Present/absent bit
110
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
Gambar 5.4 Cara Kerja Pemetaan oleh MMU
3.
Memori Asosiatif Tabel Page biasanya diletakkan di memori, dengan demikian diperlukan dua kali referensi
ke memori : sekali untuk mencari page, dan sekali untuk mencari data yang akan diproses. Solusi: Komputer dilengkapi dengan komponen hardware kecil untuk pemetaan alamat virtual ke alamat fisik tanpa menelusuri seluruh tabel page.
69
Sistem Operasi Komputer
Komponen ini disebut memori asosiatif atau translation lookaside buffer, yang biasanya berada di dalam MMU, dan berisi beberapa entri. Valid entry No. page
Modified
Protectio
No.
n
frame
1
140
1
RW
31
1
20
0
R X
38
1
130
1
RW
29
1
129
1
RW
62
1
19
0
R X
50
1
21
0
R X
45
1
860
1
RW
14
1
861
1
RW
75
Gambar 5.5. Memori asosiatif untuk mempercepat paging Bagian referensi memori yang dapat dipenuhi dari memori asosiatif disebbut hit ratio. Makin tinggi hit ratio, makin baik performance manajemen memori khususnya, dan komputer umumnya.
5.3 Algoritma Penggantian Page Saat terjadi fault berarti harus diputuskan page frame yang harus diganti. 1. Algoritma penggantian page acak: Page yg dikeluarkan untuk memberi tempat ke yang baru ditentukan secara acak tanpa kriteria tertentu. 2. Algoritma penggantian page optimal: Setiap page diberi label untuk menandai berapa instruksi lagi baru dia digunakan. Page dengan label tertinggi (waktu dari sekarang sampai pemakaian berikutnya paling lama) yang akan dikeluarkan. Tabel 5.1 Algoritma Penggantian Page Optimal String Pengacuan
2
3
2
1
5
2
4
5
3
2
5
2
70
Sistem Operasi Komputer
2
Fault
F
2
2
2
2
2
4
4
4
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
1
5
5
5
5
5
5
5
5
F
F
F
F
F
6 Fault
3. Algoritma penggantian page NRU (not recently used): Setiap page diberi status bit R (referenced) dan
M (modified).
Bit bernilai 0 jika page belum direferensi/dimodifikasi, dan 1 jika sebaliknya. Dari nilai desimalnya didapat 4 kelas: Tabel 5.2. Page dengan kelas terkecillah yang akan dikeluarkan R
M
Kelas
Keterangan
0
0
0
not referenced,
not modified
0
1
1
not referenced,
modified
1
0
2
referenced,
not modified
1
1
3
referenced,
modified
4. Algoritma penggantian page FIFO (First In First Out): Page yang paling dulu masuk ke memori dari semua page yang ada dikeluarkan. Algoritma Penggantian Page FIFO String Pengacuan
Tabel 5.3. Anomali pada FIFO (Belady’s Anomaly) 2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2
Fault
2
2
2
2
2
2
4
4
4
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
1
5
5
5
5
5
5
5
5
F
F
F
F
F
F
F
String Pengacuan
0
1
2
3
0
1
4
0
1
2
3
4
Page Termuda
0
1
2
3
0
1
4
4
4
2
3
3
0
1
2
3
0
1
1
1
4
2
2
0
1
2
3
0
0
0
1
4
4
F
F
F
F
F
Page Tertua Fault
F
F
F
F
8 Fault
9 Fault 71
Sistem Operasi Komputer
(a)
String Pengacuan
0
1
2
3
0
1
4
0
1
2
3
4
Page Termuda
0
1
2
3
3
3
4
0
1
2
3
4
0
1
2
2
2
3
4
0
1
2
3
0
1
1
1
2
3
4
0
1
2
0
0
0
1
2
3
4
0
1
F
F
F
F
F
Page Tertua Fault
F
F
F
10 Fault
(b) 5. Algoritma penggantian page Modifikasi FIFO (Second Chance): Mencari page yang berada di memori paling lama, tetapi juga tidak dipakai. Jika sebuah page dipakai (direferensi) bit R diset. Jika sistem menemukan bahwa bit R page yang paling lama ter-set, page tersebut tidak jadi dikeluarkan, tetapi bit R-nya di-reset. Waktu load 0
3
7
8
12
14
15
18
A
B
C
D
E
F
G
H
Page yang di-load pertama kali
Page yang terakhir di-load. (a) Page dalam urutan FIFO
Waktu load 3
7
8
12
14
15
18
20
B
C
D
E
F
G
H
A
A dianggap sebagai page yang baru di-load. (b) Daftar page setelah page fault pada waktu 20 dan bit R page A dalam keadaan set. Pada algoritma ini, daftar page bisa juga dibuat berbentuk jam (clock page replacement algorithm) Tabel 5.4 Algoritma penggantian page clock String
2
3
2
1
5
2
4
5
> 2
2
2
>2*
2*
2*
2* >2*
3
2
5
2
>2
>2*
>2*
>2*
Pengacuan
72
Sistem Operasi Komputer
> 3
3
3
> > 1 Fault
F F
F
5
5
5
5*
5
5
5*
5*
>1
>1
4
4
3
3
3
3
F
F
F
6 Fault
Keterangan : * adalah diacu dan > adalah ditunjuk pointer
6. Algoritma penggantian page LRU (Least Recently Used): Yang dikeluarkan ialah page yang sudah tidak terpakai dalam waktu paling lama. Tabel 5.5. Algoritma Penggantian Page LRU String Pengacuan
Fault
2
3
2
1
5
2
4
5
3
2
5
2
2
2
2
2
2
2
4
4
3
3
3
3
3
3
3
5
5
5
5
5
5
5
5
1
1
1
4
4
4
2
2
2
F
F
F
F
F
F
F
7 Fault
5.4 Isu Disain Sistem Paging 1. Model Working Set a. Dalam bentuk paging murni, proses dimulai dengan memori kosong, dan page-page dimasukkan ke dalamnya setelah diminta. Cara ini disebut demand paging. b. Locality of reference: Kecenderungan proses untuk memakai satu set page yang sama selama beberapa saat. c. Satu set page tersebut di atas membentuk working set. Dalam hal ini, yang diusahakan oleh sistem operasi adalah agar working set berada utuh di memori pada saat eksekusinya. d. Jika ukuran memori terlalu kecil untuk working set, akan seringkali terjadi page fault. Hal ini disebut thrashing. e. Banyak sistem paging yang mengusahakan agar working set sudah ada di memori sebelum proses dimulai. Pendekatan ini disebut model working set. Tujuannya adalah untuk memperkecil jumlah terjadinya page fault (page yang diminta tidak ada di memori). f.Memasukkan page ke memori sebelum proses dimulai juga disebut prepaging. g. Untuk pertama kali menentukan working set, dipakai sistem aging untuk mengetahui berapa kali jumlah pemakaian setiap page.
73
Sistem Operasi Komputer
2. Alokasi Global dan Lokal a. Pada sistem timesharing, isi memori bisa seperti pada Gambar a. b. Misalkan diminta page A6. Jika dikeluarkan A5 untuk memberi tempat ke A6, berarti dilakukan alokasi lokal. Bila yang dikeluarkan adalah B3, dilakukan alokasi global. c. Algoritma lokal berhubungan dengan pemberian jumlah frame yang sama untuk setiap proses, sementara algoritma global secara dinamis mengalokasikan frame untuk proses yang berjalan. A0 A1 A2 A3 A4 A5 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 C1 C2 C3 (a)
Age 10 7 5 4 6 3 9 4 6 2 5 6 12 3 5 6
A0 A1 A2 A3 A4 A5 -> A6 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 C1 C2 C3 (b)
A0 A1 A2 A3 A4 A5 B0 B1 B2 B3 -> A6 B4 B5 B6 C1 C2 C3 (c)
Gambar 5.6 Penggantian page global vs. lokal. (a) Konfigurasi awal. (b) Penggantian page lokal. (c) Penggantian page global.
3. Ukuran Page 1. Ukuran page merupakan salah satu parameter yang ditentukan oleh perancang sistem operasi. 2. Penentuan ukuran page yang optimum harus menyeimbangkan beberapa faktor. 3. Rata-rata, page terakhir hanya akan terisi setengah (fragmentasi internal), berarti page sebaiknya kecil. Tetapi page yang kecil akan menghasilkan tabel page yang panjang. s (byte)
=
ukuran proses rata-rata
p (byte)
=
ukuran page
e (byte)
=
ukuran setiap page entry
s/p
=
perkiraan jumlah page yang dibutuhkan per-proses 74
Sistem Operasi Komputer
se/p (byte) =
ruang untuk tabel page
p/2
=
memori yang terbuang karena fragmentasi
overhead
=
memori yang terpakai untuk tabel page dan fragmen internal. overhead = se/p + p/2
Ukuran tabel page besar jika ukuran page kecil. Fragmen internal besar jika ukuranb page besar. Optimum harus ada di antaranya. Dengan mengambil penurunan pertama terhadap p dan menyemakan dengan nol:
-se/p2 + ½ = 0
Dari persamaan ini, ukuran page optimum adalah: p = (2se) Sebagian besar komputer komersial menggunakan ukuran page antara 512 byte – 8K.
4.
Isu Implementasi
Instruction backup Instruksi yang menyebabkan referensi ke page yang belum ada di memori (menyebabkan page fault) harus diulang ketika page tersebut telah tersedia. Beberapa sistem operasi mengcopy setiap instruksi sebelum dilaksanakan sehingga hal ini tidakmakan waktu terlalu lama. Locking pages in memory Pada saat satu proses menjalani tahap I/O, proses lain bisa dijalankan. Yang mungkin terjadi ialah page proses I/O tersebut digantikan oleh proses yang kedua ini (jika dipakai alokasi global). Jalan keluarnya ialah dengan me-lock page-page proses I/O. Shared pages Dua atau lebih proses bisa memakai bersama page-page yang berasal dari editor yang mereka pakai. Penutupan salah satu proses ini tanpa disengaja bisa mengosongkan juga page yang dipakai bersama tersebut. Diperlukan suatu struktur data khusus untuk memantau page-page yang dipakai bersama ini. Backing Store Pada disk, disediakan area untuk menampung page yang dikeluarkan dari memori (paged out) yang disebut swap area. Setiap proses memiliki swap area di disk. Swap area ada yang statis ada juga yang dinamis. Paging Daemon Untuk meyakinkan tersedianya frame bebas yang cukup banyak, banyak sistem paging yang menggunakan proses background yang disebut paging daemon. Jika jumlah frame bebas
75
Sistem Operasi Komputer
terlalu sedikit, paging daemon akan mengosongkan beberapa page setelah menulisnya ke disk jika pernah dimodifikasi. Penanganan Page Fault
Urutan langkah-langkah penanganan adalah sebagai berikut: 1.
Hardware melakukan trap ke kernel, program counter di-save ke stack. Pada banyak mesin, beberapa informasi tentang status instruksi saat itu di-save di register-register khusus CPU.
2.
Rutin kode assembly dimulai untuk men-save register-register umum dan informasi lain yang bisa berubah, agar sistem operasi tidak merusaknya. Rutin ini memanggil sistem operasi sebagai suatu prosedur.
3.
Sistem operasi menemukan bahwa terjadi page fault, dan mencoba menemukan page virtual mana yang diperlukan. Seringkali salah satu register hardware berisi informasi ini. Jika tidak, sistem operasi harus menarik program counter, mengambil instruksi, dan melakukan parsing pada software untuk mengetahui apa yang dilakukan sebelum terjadi fault.
4.
Begitu alamat virtual yang menyebabkan fault diketahui, sistem operasi memeriksa apakah alamat ini valid dan proteksinya konsisten dengan akses. Jika tidak, proses dikirimi sinyal atau ditutup. Jika alamat valid dan tidak ada pelanggaran proteksi, sistem berusaha untuk mendapatkan frame page dari daftar frame bebas. Jika tidak ada frame yang bebas, dijalankan algoritma penggantian page untuk mencari yang bisa ditukar.
5.
Jika frame page yang dipilih telah dimodifikasi, page dijadwalkan untuk ditransfer ke disk, dan terjadi pertukaran proses, menghentikan sementara proses yang fault dan membiarkan yang lainnya berjalan hingga transfer disk selesai. Frame ditandai terpakai untuk mencegah dipakai untuk tujuan lain.
6.
Begitu frame page bersih (apakah langsung atau setelah disave ke disk), sistem operasi menelusuri alamat disk di mana page diperlukan, dan menjadwalkan operasi disk untuk memasukkannya. Sementara page dimasukkan, proses yang mengalami fault dihentikan sejenak dan yang lainnya dijalankan, jika ada.
7.
Ketika disk interrrupt menandai bahwa page telah ada, tabel page di-update untuk menunjukkan posisinya, dan frame ditandai berada dalam status normal.
8.
Instruksi yang menyebabkan fault di-back-up ke status mulainya dan program counter direset untuk menunjuk ke instruksi tersebut.
76
Sistem Operasi Komputer
9.
Proses yang fault tersebut dijadwalkan, dan sistem operasi kembali ke rutin bahasa assembly yang memanggilnya.
10.
Rutin ini mengembalikan register dan informasi lainnya ke keadaan semula , dan kembali ke user untuk melanjutkan eksekusi, seakan-akan tidak ada fault yang terjadi.
5.5 Segmentasi Compiler bisa memiliki beberapa tabel dengan alamat virtual yang terpisah, misalnya terdiri dari tabel-tabel untuk: 1.
Source text,
2.
Tabel simbol,
3.
Tabel untuk semua konstanta integer dan floating point,
4.
Parse tree, berisi analisis sintaksis program, dan
5.
Stack yang digunakan untuk pemanggilan prosedur.
Nomor 1 s/d 4 bisa bertambah pada saat kompilasi berjalan, sehingga dengan sistem paging yang berukuran tetap, batas satu page bisa terlampaui. Dengan alasan ini dipakai bagian-bagian dengan alamat yang relatif independen, yang disebut segmen. Setiap segmen mempunyai ukuran yang berbeda dengan yang lain. Panjang segmen juga bisa berubah selama eksekusi. Program harus menyediakan alamat yang terdiri dari dua bagian: -
nomer segmen
-
alamat di dalam segmen Segmentasi juga memberikan fasilitas pemakaian bersama prosedur atau data antar
beberapa proses. Contoh umumnya adalah shared library.
Segmen
Segmen
0
1
0
0
4K
4K
Segmen 2 0 Konstanta
Source
Segmen
Segmen
3
4
0
0
4K
4K Parse
Call
77
Sistem Operasi Komputer
text 8K
tree
stack
8K
8K
8K
12K
12K
12K
Tabel simbol 12K
16K
16K
20K Gambar 5.7 Memori yang tersegmentasi memungkinkan setiap tabel bertambah atau berkurang.
Tabel 5.6 Perbandingan paging dan segmentasi. Pertimbangan Apakah programmer harus menyadari
Paging
Segmentasi
Tidak
Ya
1
Banyak
Ya
Ya
Tidak
Ya
Tidak
Ya
Tidak
Ya
bahwa teknik ini sedang digunakan? Berapa banyak ruang alamat linier yang ada? Dapatkah ruang alamat total melebihi ukuran memori fisik? Apakah tabel yang ukurannya berubahubah dapat diakomodasi? Dapatkan prosedur dan data dibedakan dan diproteksi secara terpisah? Adakah fasilitas pemakaian bersama prosedur antar user? Mengapa teknik ini diciptakan?
Untuk
Untuk memungkinkan
mendapatkan ruang
program dan data dibagi
alamat linier yang
menjadi ruang alamat yang
besar tanpa harus
secara logik independen 78
Sistem Operasi Komputer
membeli memori
dan untuk membantu
fisik tambahan
pemakaian bersama dan proteksi
Checkerboarding: Timbulnya blok-blok memori yang kosong (hole) pada saat isi segmen dikeluarkan. Hal ini diatasi dengan pemampatan (compaction).
Segmentasi dengan Paging : Setiap segmen dapat dianggap sebagai satu virtual memori, dan masing-masing dibagi menjadi page-page.
Salah satu mesin yang memakai cara ini adalah MULTICS. Setiap program MULTICS memiliki satu tabel segmen, dengan satu descriptor per segmen. Segmen descriptor berisi keterangan apakah segmen yang bersangkutan ada di memori atau tidak.
Segmen descriptor
Tabel page untuk segmen 0
36 bit
Page 0 entry
Descriptor segmen 0
Page 1 entry
Pointer-
Descriptor segmen 1
Page 2 entry
pointer
Descriptor segmen 2
Page 3 entry
ke page
Descriptor segmen 3 Descriptor segmen 4 Descriptor segmen 5
Tabel page untuk segmen 1
Descriptor segmen 6
Page 0 entry
Descriptor segmen 7
Page 1 entry Page 2 entry Page 3 entry Page 4 entry Page 5 entry
Virtual address MULTICS 34-bit: 79
Sistem Operasi Komputer
Alamat di dalam segmen Nomer segmen
Nomer page
Offset di dalam page
18
6
10
Nomer segmen
Nomer page
Offset di dalam page
Nomer segmen Nomer Descriptor
page Page frame
Segmen descriptor
Offset
Tabel page Word
Page
Gambar 5.8. Konversi alamat MULTICS menjadi alamat memori utama.
80
