Principy operačních systémů. Lekce 3: Virtualizace paměti

Principy operačních systémů

Lekce 3: Virtualizace paměti

Principy operačních systémů – Ing. Nulíček Vladimír

Virtuální paměť • • •

•

•

Adresní prostor paměti je uspořádán logicky jinak, nebo je dokonce větší než je fyzická operační paměť RAM Rozšíření vnitřní paměti o oblast na vnějším paměťovém médiu (obvykle na HDD) Důvod: odstranění hlavních nedostatků většiny reálných metod přidělování paměti, tj. nemožnost spustit proces, jehož požadavky na paměť přesahují momentálně volnou operační paměť Procesor rozlišuje mezi virtuálními adresami (pracují s nimi strojové instrukce, resp. běžící proces) a fyzickými adresami paměti (odkazují na konkrétní adresové buňky paměti RAM). Převod mezi virtuální a fyzickou adresou je zajišťován samotným procesorem (je nutná hardwarová podpora) nebo samostatným obvodem.


2


Jednotka řízení paměti • MMU = Memory Management Unit • Dříve samostatný mikroprocesor mezi CPU a RAM, nyní součást CPU • Zajišťuje přístup procesoru k operační paměti, překlad virtuálních adres na fyzické, ochranu paměti aj. • Provádí stránkování paměti, tj. rozdělení logické paměti na stránky stejné velikosti


3


Požadavky na procesor Při virtualizaci paměti musí CPU být schopen • Obsloužit přerušení • Zopakovat přerušený přístup do paměti • Přerušení – procesor musí na podnět MMU přerušit proces, který právě zpracovává, obsloužit přerušení a následně se vrátit ke zpracovávanému programu • Zopakování přístupu do paměti – pokud se procesor pokusí pracovat s pamětí, která fyzicky neexistuje, MMU přeruší proces. Správce paměti + MMU obslouží přerušení – doplní neexistující paměť. Procesor musí následně zopakovat pokus o přístup do paměti a pokračovat v procesu. Lekce 3: Virtualizace paměti

4


Virtuální paměť • Fyzická paměť je rozdělena na rámce • Logická paměť je rozdělena na stránky • Stránka: – má přidělen rámec v operační paměti – nebo je odložena do vnější paměti (na HD)

• Některé stránky nelze odložit (systémové procesy)


5


LAP a FAP


6


Procesy ve virtuální paměti


7


Virtuální paměť je větší než reálná

(FAP)


8


Proces žádá o stránku 4


9


Určení optimální velikosti stránek


10


Stránkování • Na žádost – Stránka se zavádí jako jako důsledek přerušení typu výpadek stránky

• Předstránkování – Počítá se s tím, že proces bude brzy pravděpodobně odkazovat na sousední stránku na sekundární paměti (např. Win XP)


11


Stránkování


12


Stránkování


13


Stránkování Odkaz na stránku (či segment) mimo operační paměť způsobí přerušení výpadkem stránky a následuje přibližně toto: • OS pozastaví proces, kterému chybí stránka. • OS spustí modul pro zavedení chybějící stránky do operační paměti a v případě nutnosti (je-li operační paměť plná) odstraní z fyzické paměti stránku podle jedné z uvedených strategií. • Během přenosu požadované stránky je proces, kterému chybí stránka nadále pozastaven a běží jiné procesy. • Po zavedení stránky je původní proces označen jako připravený a čeká na přidělení procesoru.


14


Politika nahrazování (výběru oběti)


15


Metody výběru oběti


16


Metody výběru oběti • • • • •

FIFO = First In First Out OPT = Optimum LRU = Least Recently Used LRU s druhou šancí Čítací algoritmy – LFU = Least Frequently Used – MFU = Most Frequently Used


17


FIFO = First In First Out


18


OPT = optimální algoritmus


19


LRU = Least Recently Used


20


Implementace LRU


21


Aproximace LRU


22


Algoritmus „Druhá šance“


23


Čítací algoritmy


24


Výhody a nevýhody virtuální paměti • Výhody: – Paměť, kterou má běžící proces k dispozici, není omezena fyzickou velikostí instalované paměti. – Je omezeno plýtvání pamětí, kterou proces ve skutečnosti nevyužije nebo ji začne využívat až později. – Každý běžící proces má k dispozici svou vlastní paměťovou oblast, ke které má přístup pouze on sám a nikdo jiný. – Paměť jednotlivým procesům lze tak organizovat, že se paměť z hlediska procesu jeví jako lineární, přestože ve skutečnosti může být umístěna na různých místech vnitřní paměti i odkládacího prostoru.

• Nevýhody: – Fragmentace uvnitř stránek – HW závislé řešení – Při nedostatku operační paměti může vést ke zhoršení výkonu (časté výpadky stránek) Lekce 3: Virtualizace paměti

25


Segmentace se stránkováním na žádost • • • •

• • •

V současnosti nejpoužívanější metoda Proces má přiděleno několik segmentů, každý segment se může nacházet na několika stránkách. Není stránkován celý paměťový prostor procesu jako celek, ale jeho jednotlivé segmenty Adresa objektu v LAP je dána: – Určením segmentu – Číslem stránky – Offsetem v rámci stránky Fyzická adresa v paměti = číslo stránky x délka stránky + offset Správce paměti u každého procesu vede tabulku segmentů, u každého segmentu eviduje seznam stránek, na nichž se nachází V tabulce stránek je uvedeno, zda má stránka přidělen rámec nebo je odložena na disku


26


Segmentace se stránkováním na žádost


27


Segmentace se stránkováním na žádost •

Výhody – Všechny výhody metody stránkování na žádost – Možnost sdílení segmentů

•

Nevýhody – Složitost implementace – HW závislé řešení


28


Přidělování rámců procesům


29


Thrashing (problém „výprasku)


30


Jak reálně řídit virtuální paměť


31


Model pracovní množiny


32

Principy operačních systémů. Lekce 3: Virtualizace paměti

Recommend Documents