Sistemas OperacionaisGerncia de Memria O contedo desta
apresentao utiliza textos, grficos e exerccios extrados do
livro-texto Oliveira, R. S., Carissimi, A. S., Toscani, S. S.
Sistemas Operacionais. 3. ed. Sagra Luzzatto. 2004. ISBN
85-241-0643-3. A propriedade intelectual deste contedo de posse da
editora e dos autores da obra.Prof. Fabricio Bortoluzzi, MSc.
([email protected])
6. Gerncia de Memria Para o chaveamento de contexto da CPU, o
processo deve estar na memria. Desafio da gerncia de memria: Prover
os mecanismos para que os processos dividam a memria fsica
disponvel de forma segura
Consideraes Considera-se que o processo inteiro est na memria.
Adiante, em memria virtual, o cenrio muda para corresponder a
realidade atual
6.1 Memria lgica e fsica Memria lgica a que o processo enxerga a
que o processo enderea onde armazena suas instrues de execuo cada
processo tem uma
Memria fsica est nos circuitos de memria do computador seu
endereo existe nos chips de memria
O espao de endereamento lgico de um processo o conjunto de
endereos lgicos que ele ocupa.
6.1 Memria lgica e fsica Unidade de gerncia de memria Memory
Management Unit - MMU Componente de hardware. Prov o mapeamento
entre os endereos lgicos de um processo e os endereos fsicos
existentes.
Processador
Endereo Lgico
MMU
Endereo Fsico
RAM
Figura 6.1 Diagrama incluindo a MMU entre o processador e a
RAM
Unidade de gerncia de memria Esquema bsico Endereos LGICOS
iguais aos FSICOS Exemplo: Processo tem rea de memria entre 100 e
799Limite inferior 100 Limite superior 799
Proc
157
no
157
RAM
sim INT
sim INT
Figura 6.2 Mecanismo de proteo para a memria com registradores
de limite
Unidade de gerncia de memria Esquema real: Endereos LGICOS
diferentes dos FSICOS Exemplo: Processo tem rea de memria entre 500
e 700Registrador LIMITE 200 Registrador de BASE 500
Proc
157
>
no
+
no
657
RAM
sim INT
sim
Figura 6.3 Mecanismo de proteo para a memria com registradores
de BASE e de LIMITE
6.1 Memria lgica e fsica Os registradores de memria (inferior,
superior, base ou limite) devem ser protegidos Inacessveis em modo
usurio
Fazem parte do CONTEXTO de execuo dos processos Portanto, so
mantidos na tabela descritora de processos No chaveamento, quando o
processo entra: Registradores de memria so copiados DA RAM PARA A
MMU
No chaveamento, quando o processo sai: Registradores de memria
so copiados DA MMU PARA A RAM.
6.1 Memria lgica e fsica Relocao Necessria quando os endereos
LGICOS e FSICOS so diferentes. Casos reais portanto. Mapear o
REGISTRADOR DE BASE (ex: 500) como sendo o endereo ZERO (0) do
processo. Definir o REGISTRADOR DE LIMITE com o valor de memria
destinado ao PROCESSO (ex: 200). Logo A posio 500 FSICA deve ser
marcada na MMU como sendo o endereo ZERO do PROCESSO. O processo
tem seu espao de endereamento fsico iniciando em 500 e indo at 700,
mas no sabe disso. Sabe apenas que tem: O espao virtual de ZERO (0)
at 200.
O trabalho do relocador da MMU fazer este mapeamento /
correo.
6.2 Parties fixas Forma mais simples de gerncia Previamente
dividida em uma parte para o S.O. e outras para os processos. A
escolha do espao para um processo depende do tamanho do programa a
carregar O tamanho do programa deve ser menor ou igual a partio
pretendida Caso uma partio no esteja disponvel, o processo aguarda.
Implementvel tanto com o par inferior/superior como o
base/limiteS.O. 225 KBytes
Partio 1 200 Kbytes Partio 2 100 Kbytes Partio 3 50 Kbytes
Partio 4 25 Kbytes Figura 6.4 Memria fsica em parties fixas.
6.2 Parties fixas - Problemas Raramente o programa ter o tamanho
exato da partio Desperdcio de memria interna ao processo:
FRAGMENTAO INTERNA Caso a partio de 200 esteja ocupada e um novo
processo com 110 Kbytes criado, haver 175 Kbytes livres, mas no
CONTGUOS: FRAGMENTAO EXTERNA S.O. 225 KBytes
Partio 1 200 Kbytes Partio 2 100 Kbytes Partio 3 50 Kbytes
Partio 4 25 Kbytes Figura 6.4 Memria fsica em parties fixas.
6.3 Parties variveis Neste caso, o tamanho das parties ajustado
dinamicamente s necessidades exatas dos processos. S.O. mantm uma
lista de lacunas Ao criar um processo, o S.O. varre as lacunas S.O.
usa uma lacuna igual ou maior a solicitada 4 algoritmos bsicos para
percorrer a RAM: First-fit: primeira lacuna com tamanho suficiente
Best-fit: lacuna que resultar em menor sobra Worst-fit: lacuna que
resultar em maior sobra Circular-fit: First-fit, mas inicia a
procura da lacuna seguinte ltima sobra.
6.3 Parties variveis Fim de um processo = NOVA LACUNA! Cenrio:
P4 aguarda - P2 finalizouS.O. 225 KBytes Processo 4 85 Kbytes S.O.
225 KBytes
Processo 1 174 Kbytes Processo 2 98 Kbytes Processo 3 23 Kbytes
Lacuna 25 Kbytes (A)
Processo 1 174 Kbytes Processo 4 85 Kbytes Lacuna - 13 KB
Processo 3 23 Kbytes Lacuna 25 Kbytes (B)
Figura 6.5 Parties variveis
6.3 Parties variveis Teoricamente, no h fragmentao interna!
Entretanto, a alocao no perfeitamente exata preciso definir uma
unidade mnima de kilobytes, como no disco rgido, para que o
gerenciamento da RAM fique adequado Exemplo: unidades de 32 bytes.
Na RAM, a unidade chama-se PARGRAFO Se o pargrafo de 32 bytes, a
maior fragmentao interna possvel fica em 31 bytes.
6.3 Parties variveis Vantagens: Na prtica, pouca fragmentao
interna Facilita atendimento as exigncias das arquiteturas Tipos
inteiros de 4 bytes devem ser posicionados em um byte com endereo
lgico par. Menos bits para enderear uma lacuna na memria Em 1
Gigabyte de RAM custaria 30 bits para enderear um byte, mas apenas
25 bits para enderear um pargrafo. Implementadas em lista encadeada
de lacunas Endereo Tamanho Lacuna anterior e prxima Utiliza o espao
da prpria lacuna para armazenar esses dados No precisa portanto, de
uma tabela parte
6.3 Parties variveis Desvantagens: Fragmentao externa um
problema grave Alocao e desalocao de reas causam a fragmentao
Resultado: numerosas lacunas pequenas Aparncia de queijo suo
Frequentemente a fragmentao externa chega a 1/3 da rea total
disponvel na RAM possvel desfragmentar, realocando os processos e
formando uma s lacuna, mas isso custoso! Mecanismo de realocao
dinmica (e automtica) depende de recurso no hardware (registrador
de base)
6.4 Swapping Resolve o problema de a RAM ser menor do que a soma
de ocupao de todos os processos Rever a figura 6.5A O S.O. reserva
uma parte do disco rgido para seu uso As vezes um processo inteiro
copiado da RAM para o HD Sua execuo suspensa SWAP OUT Seu descritor
de processo posto em uma fila de suspensos Mais tarde, antes de
voltar a executar feito um SWAP IN Seu descritor volta ento fila de
aptos
6.4 Swapping Impe um GRANDE CUSTO em termos de execuo Copiar da
RAM para o HD demorado! O usurio sente a queda no desempenho Ruim
para processos de interao com o usurio Utilizar em ltimo caso
Mais aceitvel para processos no interativos
Usa-se tanto em parties da RAM fixas como em parties variveis No
swap in, necessrio corrigir os espaamento de endereamento.
6.5 Paginao Parties fixas geram perda de memria Parties variveis
causam fragmentao externa A origem da fragmentao externa reside no
fato de que o programa precisa ocupar uma rea contgua de memria Se
essa restrio for eliminada, no haveria fragmentao externa Essa a
tcnica de paginao: O processo acredita possuir uma rea contgua de
endereamento lgico Cada endereo lgico aponta para um endereo fsico
que pode OU NO ser contguo na memria (fsica)
6.5 Paginao - Cenrio de exemplo Exemplo bem pequeno O
endereamento lgico do processo dividido em pginas lgicas de tamanho
fixo Os endereos so binrios A memria lgica composta por 12 bytes 3
pginas lgicas 4 bytes por pgina (12 bytes/3 pginas = 4bpp)
O endereamento lgico tambm est dividido em duas partes 1. nmero
da pgina lgica 2. deslocamento dentro da pgina
Y2 est em 00101 001 3 posies para o nmero da pgina
6.5 Paginao - Cenrio de exemplo
A memria FSICA tambm dividida em pginas fsicas O tamanho de uma
pgina lgica e uma fsica idntico. A quantidade de pginas lgicas de
um processo menor que a quantidade total de pginas fsicas montada
uma tabela de pginas para o processo. Ela contem um mapa entre os
endereos lgicos e os endereos fsicos Uma pgina lgica carregada em
qualquer pgina fsica livre. No existe fragmentao externa!
Memria Lgica000 00 000 01 000 10 000 11 001 00 001 01 001 10 001
11 010 00 010 01 010 10 010 11X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 Y3 Y4 Z1 Z2 Z3
Z4
Memria FsicaZ1 Z2 Z3 Z4
X1 X2 X3 X4
Endereo Lgico de Y2
Endereo Fsico de Y2
001 01 Tabela de Pginas Lgicas Fsicas 000 001 101 010 101
000
101 01Y1 Y2 Y3 Y4
000 00 000 01 000 10 000 11 001 00 001 01 001 10 001 11 010 00
010 01 010 10 010 11 011 00 011 01 011 10 011 11 100 00 100 01 100
10 100 11 101 00 101 01 101 10 101 11
Figura 6.6 Mecanismo bsico de paginao
6.5 Paginao Num sistema onde uma pgina ocupa 4 Kbytes e um
programa necessita 201 Kbytes sero alocadas 51 pginas ocupando um
total de 204 Kbytes desperdiando 3 Kbytes 1,47% de desperdcio de
memria
Concluso Pginas maiores = menos pginas por processo = velocidade
= menos imposto de hardware = menor overhead = menor sobrecarga =
maior fragmentao Pginas menores = menor fragmentao VALORES
DEFINIDOS PELO HARDWARE, NO PELO S.O.
Sobre a tabela de paginao Quando pequena, colocada em
registradores de acesso rpido Num computador com 64 Kbytes, h 8
pginas de 8 Kbytes cada. Isso uma tabela pequena para uma
quantidade de memria pequena
Quando grande, mantida na RAM fsica A MMU ento possui 2
registradores para acesso: Registrador de Base de Tabela de Pgina
PTBR -> Page Table Base Register e Indica o endereo fsico de
memria onde a tabela est colocada e Registrador de Limite de Tabela
de Pgina PTLR -> Page Table Limit Register Indica o nmero de
entradas da tabela
Sobre a tabela de paginao Com ela, para se encontrar um endereo
fsico na RAM, so necessrios 2 acessos 1 para verificar na tabela de
pginas o endereo fsico do endereo lgico a ser trabalhado 1 para
acessar o endereo fsico em si
Resultado: RAM 2x mais lenta! Soluo: Memria cache para a MMU
Chamada de Translation Lookaside Buffer (TLB) Rpido e caro! Bem
caro! Se a pgina lgica solicitada est na TLB (hit) ento o retorno
rpido. Se no est (miss), buscada normalmente na RAM, mas uma cpia
fica na TLB! Resultado: A degradao de performance no fica em 50%,
mas entre 20 e 30%. E isso aceitvel!
Sobre a tabela de paginao A cada chaveamento de contexto,
copia-se o valor do PTBR e PTLR da tabela de pginas do descritor de
processo para os registradores na MMU. A memria cache precisa ser
esvaziada (flushed) para que no ocorra a passagem de falsas
informaes dela para o novo processo solicitante de endereos lgicos
A memria cache uma memria do tipo associativa. Alm das clulas de
memria, existe todo o aparato eletrnico para que ela atenda a
pesquisas paralelas. Isso caro! 32 entradas nessa memria j garantem
um nvel de HITs (acertos) em torno de 80 a 90%
Sobre a tabela de paginao Contem outros controles bit
vlido/invlido se invlido, a MMU gera uma interrupo de proteo. S.O.
acionado. Erro de programao. bit pode/no pode usar pginas somente
leitura pginas somente escrita pginas somente execuo pginas de
leitura e escrita
Proteo de memria fica fcil com a TP Acesso a PTBR e PTLR
privilegiado Marca como invlida todas as pginas que no pertencem ao
processo
Sobre a tabela de paginao Uma s tabela de pginas raro Na prtica,
vrias tabelas de tamanho variado, ajustadas de acordo com as
necessidades de cada processo Se elas podem ter qualquer tamanho,
ento ocorrer fragmentao externa A maior razo para a paginao foi
justamente a eliminao de fragmentao externa Para evitar isso, so
usadas tabelas com dois nveis As tabelas de pginas crescem de pedao
em pedao uma tabela auxiliar chamada diretrio mantm o endereo de
cada pedao para evitar a fragmentao externa, cada pedao da tabela
de pginas deve ter um nmero mnimo inteiro de pginas: NAO IMPORTANDO
A FINALIDADE Entradas desnecessrias so marcadas como invlidas Assim
evita-se a fragmentao externa no uso da TP
Sobre a tabela de pginas No i386 a TP tem dois nveis Diretrio de
pginas Pedaos (Tabelas de pginas propriamente ditas) Endereo lgico
de 32 bits 10 bits: numero entrada no diretrio de tabela de pginas
10 bits: nmero da pgina na tabela de pginas indicadas 12 bits:
deslocamento dentro da pgina
Em resumo: A tabela cresce de pedao em pedao, a medida em que a
alocao de pginas fsicas acontece Apenas o necessrio usado, com uma
pequena fragmentao interna na prpria tabela, quando no so
necessrias todas as entradas do pedao alocado O processo pode
povoar diferentes regies do espao lgico sem dificuldades
6.6 Segmentao O conceito de Paginao til para o S.O., uma criao
dele. E os programas? Como enxergam o endereamento lgico que lhes
so fornecidos? Programas e compiladores entendem a memria como
SEGMENTOS. Diviso tpica de um segmento: Cdigo, dados alocados
estaticamente, dados alocados dinamicamente, e pilha de execuo
O programador atribui nomes aos segmentos. O compilador
transforma esses nomes em nmeros.
6.6 Segmentao possvel orientar a gerncia de memria para suportar
diretamente o conceito de segmentos A memria lgica portanto
organizada em segmentos Uma posio na memria lgica do processo passa
a ser endereada por um nmero de segmento e um deslocamento (em
relao ao incio de seu segmento) Em tempo de carga, cada segmento
copiado para a memria fsica e uma tabela de segmentos construida.
Essa tabela informa, para cada segmento, qual o endereo da memria
fsica onde ele foi colocado e qual o seu tamanho
6.6 Segmentao Processos geram endereos lgicos compostos por um
nmero de segmento e um nmero de deslocamento dentro do segmento
A MMU utiliza o nmero do segmento fornecido para indexar a
tabela de segmentos. caso o nmero no exista: INTERRUPO uma vez
localizada a entrada, o deslocamento fornecido comparado com o
limite do segmento o deslocamento fornecido,caso correto, somado ao
valor de base do segmento resultado: Endereo fsico equivalente ao
endereo lgico fornecido
6.6 Segmentaot p d Tabela de Pginas p.f. d
Diretrio das Tabelas de Pginas Tabela de Pginas
Figura 6.7 Tabela de pginas organizadas em dois nveis
6.6 Segmentao Na prxima figura, supor que o processo gere o
endereo lgico D3 o segmento 01 e deslocamento 00010. A tabela de
segmentos informa que o segmento 01 possui base 00000 e limite
0100. O deslocamento 0010 vlido? Sim pois menor do que o limite
00100 Somando-se 00000 + 00010 tem-se o endereo fsico 00010. Esse,
00010, o endereo fsico do byte D3 na memria fsica
MEMRIA LGICA Segmento 00 00000 00001 00010 00011 00100 00101 C1
C2 C3 C4 C5 C6 Segmento 01 D1 D2 D3 D4
MEMRIA FSICA
D1 D2 D3 D4
00000 00001 00010 00011
C1 C2 C3 C4 C5 C6
Segmento 10 P1 00000 P2 00001 P3 00010
Tabela de SegmentosSegmento 00 01 10 Base 01000 00000 10100
Limite 0110 0100 0011
P1 P2 P3
00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001
01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001 10010 10011 10100
10101 10110 10111
Figura 6.8 Gerncia de memria baseada em segmentos
6.6 Segmentao Grande atrativo: compartilhamento de memria cada
segmento representa uma parte especfica do programa podendo ou no
ser compartilhado exemplos de compartilhamento: sub-rotina pilha de
funes biblioteca de programao
Sendo uma funo somente execuo, pode haver dois processos
apontando para ela sem a necessidade de replic-la O segmento s
removido depois de no constar em mais nenhuma tabela de segmentos
em uso Obviamente um segmento leitura-e-escrita no poder ser
compartilhado
6.7 Segmentao paginada Com a segmentao, volta o problema da
fragmentao externa A alocao e liberao sucessiva de segmentos com
diferentes tamanhos gera lacunas pequenas demais para serem teis
Soluo: Paginar cada segmento! O espao lgico formado por segmentos
Cada segmento possui uma tabela de pginas associada. No momento de
enderear a memria, a tabela de segmentos indica onde a tabela de
pginas est A tabela de pginas transforma o endereo da pgina lgica
em pgina fisica
6.7 Segmentao paginadas p dTabela de Pginas do Segmento 0
p.f.
d
Diretrio das Tabelas de Pginas Tabela de Pginas do Segmento
3
Figura 6.9 Esquema clssico de segmentao paginada
6.7 Segmentao paginada A alocao de espao em memria feita na base
da pgina fsica. Elimina completamente a fragmentao externa Causa
fragmentao interna aceitvel Mdia de meia pgina de fragmentao
interna por segmento de processo.
