- 1. Aula 7b: Gerenciamento de Memria Parte II
2. Realocao e Proteo: O uso da multiprogramao introduz os
seguintes problemas: Realocao: garantir que as instrues de acesso
direto memria iro acessar os endereos corretos: Proteo: garantir
que um programa somente acesse a regio da memria que foi alocada a
ele. Os endereos de um programa so determinados durante a vinculao
do programa. Por exemplo, se um programa foi compilado a partir do
endereo 0, e se for carregado a partir do endereo 400K (na partio
3), o programa far uma chamada dentro do sistema operacional, se
possuir, por exemplo, uma instruo de salto para o endereo 100.
Neste cado deveremos somar 400K a todos os endereos. 3. Os
problemas da realocao e da proteo poderiam ser resolvidos pelo
hardware, usando dois registradores especiais: Registrador da base
(RB): contm o endereo inicial de uma partio. Todo o endereo
relativo a este registrador. Registrador de limite (RL): contm o
tamanho da partio. Os endereos no podem ser maiores do que este
limite. O hardware informa ao sistema qualquer tentativa, por um
processo, de acessar uma rea da memria no permitida. 4. Quando
estes registrador esto disponveis, todos os programas podem ser
compilados a partir do endereo 0, e, quando carregarmos um programa
em uma das posies, basta alterar o valor de RB para o incio da
partio, e valor de RL para o tamanho da partio. No exemplo
anterior, basta o sistema copiar o valor 400K para RB, e copiar
300K, o tamanho da partio, para RL. Como os endereos so relativos a
BP, a instruo de salto jmp100 saltar para o endereo 400K +100. 5.
Troca: Gerenciamento de memria usado quando a memria no pode
armazenar todos os processos do sistema: A memria tambm
particionada, mas o nmero, o tamanho, e a posio das parties varia
dinamicamente Quando o escalonador escolhe um processo: O processo
em execuo copiado para o disco, e a partio usada pelo processo
liberada. Uma nova partio criada na qual ser copiado, do disco, o
novo processo escolhido pelo escalonador. 6. Inicialmente, a memria
est vazia, e somente o sistema operacional est carregado na memria
do computador. 7. Agora o processo A foi iniciado pelo sistema, o
sistema criou uma partio na memria com o tamanho do processo A, e
carregou o processo nesta partio, para que este possa ser
executado. 8. Mais um processo, o B, foi tambm iniciado, e uma nova
partio com o seu tamanho foi criada na memria. 9. Mais um processo,
o C, foi carregado na memria, e mais uma partio, com o tamanho de
C, foi criada. 10. O processo A foi retirado da memria, porque
terminou sua a sua execuo, ou porque foi salvo no disco, pois A j
ficou muito tempo na memria. Com isso, a parte da memria alocada
partio foi liberada para ser usada para criar outras parties. 11.
Agora, um novo processo, o D, foi criado, e com isso, o sistema
criou uma nova partio. Esta partio foi criada na posio da memria em
que o processo A tinha sido carregado, como o tamanho de D menor do
que o de A, uma parte da memria liberada ao mover A para o disco no
ser usada ao alocar a nova partio. 12. Agora o processo B ou
terminou sua execuo, ou foi salvo no disco. A parte da memria
ocupada pela sua partio foi ento liberada. 13. Agora um novo
processo, o E, criado ou lido do disco. A partio alocada ao
processo ocupa toda a rea da memria disponvel entre as parties dos
processo D e C. 14. A grande vantagem da troca sobre o uso de
parties fixas a de que otimizamos o uso da memria: As parties
possuem o tamanho correto do processo, e com isso, no h desperdcio
de espao dentro da partio. Porm, o gerenciamento da memria ser mais
complicado, pois deveremos dinamicamente alocar e deslocar as
parties. Um outro problema que esta alocao e desalocao dinmica pode
ocasionar a fragmentao da memria. 15. Depois de algumas trocas de
processos entre a memria e o disco, a memria fica dividida entre
partes com parties, em que alguns processos dos sistema foram
carregados, e partes livres, disponveis para a criao de novas
parties. 16. Quando as reas disponveis na memria so pequenas e no
contguas, podemos compactar a memria: as parties dos programas so
deslocados para os endereos mais baixos da memria, at que a memria
seja dividida em duas grandes reas uma com todas as parties
criadas, e uma outra com toda a rea disponvel da memria. O
problemas que o processo de compactao muito custoso. 17. Um detalhe
de quanta memria ser alocada a um processo: Se o tamanho do
processo fixo, ento o espao alocado igual a este tamanho. Se o
tamanho do processo variar durante a execuo, ento deveremos alocar
mais memria para este processo. 18. Suponha que dois processos, C e
D, em duas parties da memria no contguas. Vamos ver agora os
problemas que podem ocorrer se os processos puderem aumentar de
tamanho, isto , os tamanhos das parties podem variar durante a
execuo. 19. Suponha que o processo D precisou de mais memria. Como
existe espao disponvel entre a partio D e a partio C, ento, se o
processo precisar no mximo deste espao, a partio poder ser
estendida sem problemas. No nosso exemplo , o processo D alocou
todo o espao entre as duas parties. 20. Suponha que o processo D
precisou alocar mais memria. Como agora no existe espao para
estender a partio, ento um ou mais processos devero ser movidos na
memria, para que seja possvel alocar uma partio suficientemente
grande para armazenar D. Se no foi possvel, ento o processo esperar
ou ser terminado. No exemplo, trocamos os endereos dos processos C
e D na memria. 21. Suponha que o processo B foi carregado na ltima
rea livre da memria. Agora, no temos nenhuma memria disponvel para
estender ou para criar novas parties. Se, por exemplo, o processo C
desejar alocar mais memria, este ou dever esperar at que exista
memria disponvel, ou dever ser terminado. 22. Uma maneira de
minimizar o tempo gasto ao mover os processos o de simplesmente
alocar mais memria do que a necessria para copiar um processo do
disco. Se um processo precisar de mais memria, ento este usar a
memria adicional, e somente ser movido se a memria adicional
completamente usada. Esta organizao til se o processo tiver uma
nica rea de dados que pode crescer durante a execuo. 23. Se a
partio deve dividida em uma regio com o programa, que ocupa o incio
da partio, uma regio com os dados, que comea logo aps o programa, e
que cresce em direo ao final da partio, e uma regio de pilha, que
cresce em direo ao incio da partio, e que fica no final da partio,
ento podemos alocar uma partio com mais espao, dividido de acordo
com a figura. Entre as regies da pilha e de dados, existe uma regio
livre, que pode ser usada para estender ambas as regies, se for
necessrio. 24. A memria pode ser gerenciada atravs de uma mapa de
bits: A memria divida em blocos de tamanho fixo, chamamos de
unidades de alocao. Existe um bit no mapa para cada unidade de
alocao, que igual a 1 se a unidade est sendo usada, e 0 em caso
contrrio. O tamanho da unidade de alocao importante: O tamanho do
mapa de bits depende deste tamanho. O tempo necessrio para ocupar
por um conjunto destas unidades depende do tamanho do mapa de bits.
25. O grande problema do uso de mapa de bits o tempo gasto ao
alocar uma partio para o processo copiado do disco: Se um processo
ocupa k unidades de alocao, deveremos varrer o mapa at achar k
unidades consecutivas disponveis; Uma outra soluo o gerenciamento
da memria atravs de listas encadeadas, sendo que cada elemento da
lista: Representa um conjunto consecutivo de unidades de alocao.
Contm o endereo inicial do conjunto, o seu tamanho, e o seu tipo, e
um ponteiro para o prximo elemento. 26. Lista encadeada para o
exemplo anterior, para as 32 unidades de alocao iniciais da memria.
O tipo P indica que as unidades esto alocadas a um processo, e o H
indica que as unidades esto disponveis. 27. Memria Virtual: Nem
todos os programas que so executados no computador podem ser
totalmente armazenados na memria. Neste casos, podemos usar o
conceito de overlays: O programa dividido em partes menores que so
chamadas de overlays. O overlay 0 o primeiro a ser executado.
Quando necessrio, um overlay chama outro overlay, que ser carregado
na memria pelo sistema. O sistema gerencia a troca de overlays
entre a memria e o disco, e permite que mltiplos overlays estejam
na memria. 28. Neste conceito, os programas so divididos em partes
menores, chamados de overlays, pelo programador. No exemplo, temos
quatro overlays na memria: os overlays 0 e 2 do programa A, o
overley 0 do programa B, e o overlay 1 do programa C. 29. Se o
overley 0 do programa A chamar o overley 1 deste programa, ento
algum outro overley ser salvo no disco, antes deste overley ser
carregado. Suponha que o overley 2 de A foi o escolhido para ser
salvo no disco. Ento, o overley 1 de A ser carregado na posio na
memria de overley 2, e ser executado. 30. O problema do uso de
overlays a complexidade da programao dos programas, pois a diviso
feita pelo computador. Uma outra possibilidade o uso do conceito de
memria virtual, criado por Fotheringhan em 1961: O tamanho do espao
de endereamento do processo que executa o programa pode ser maior
que a memria . As partes atualmente usadas do espao de endereamento
so mantidas na memria, e as restantes, no disco. Ao contrrio dos
overlays, o sistema que o responsvel pela diviso do espao de
endereamento. 31. Os programas continuam sendo divididos em vrios
pedaos, mas agora o sistema operacional gerencia a troca das partes
entre o disco e a memria, e a diviso do programa nestas partes. Por
exemplo, o sistema pode executar um programa de 16MB em uma memria
de 4MB, se dividir o programa em quatro partes de 4MB, e escolher
qual dos 4MB deve estar na memria em cada instante. 32. Algumas das
instrues do processador acessam endereos da memria, que so chamados
de endereos virtuais. O conjunto de endereos que um programa pode
acessar atravs das instrues chamado de espao de endereamento
virtual. Quando no usamos o conceito de memria virtual: Os endereos
so copiados diretamente no barramento da memria pelo processador. O
endereo fsico lido (ou escrito) da (na) memria o mesmo endereo
virtual gerado pela instruo. 33. Quando o processador executa uma
instruo, o endereo usado para obter o seu cdigo enviado diretamente
para a memria. 34. Por exemplo, se o processador deseja executar a
instruo cujo cdigo comea no endereo FEDC, o processador envia este
endereo diretamente para o barramento da memria, e obtm o cdigo FE
da instruo. 35. Quando usamos o conceito de memria virtual: Os
endereos so passados a uma unidades especial, chamada de MMU
(Memory Menagement Unit). A MMU converte o endereo virtual em
endereo fsico da memria, que em geral diferente deste endereo
virtual. Depois da converso, a MMU copia o endereo fsico gerado no
barramento da memria. 36. No conceito de memria virtual, quando o
processador executa uma instruo, o endereo virtual usado para obter
o seu cdigo enviado para a MMU, que ento o converte para o endereo
fsico com o cdigo da instruo. 37. Por exemplo, se o processador
desejar executar a instruo cujo cdigo comea no endereo virtual
AADC, o processador envia este endereo para a MMU, que o converte
no endereo fsico 80DC com o cdigo FE da instruo. 38. Se usarmos a
tcnica da paginao ao gerenciar a memria virtual: O endereo virtual
dividido em um conjunto de unidades que so chamadas de pginas
virtuais. A memria principal do computador tambm dividida nestas
unidades, que so chamadas de molduras de pgina. A MMU mapeia as
pginas virtuais em molduras de pgina, atravs do uso da sua tabela
de pginas. 39. Exemplo de um processador com um espao de
endereamento virtual de 64Kb. O tamanho da memria principal do
computador de 32Kb, o tamanho de uma unidade de 4Kb. Com isso,
temos 16 pginas virtuais e 8 molduras de pgina. O nmero dentro de
uma pgina virtual indica a moldura de pgina na qual esta pgina est
mapeada, sendo que o X indica que a pgina no est mapeada na memria.
40. Se o programa executa uma instruo que acessa o endereo virtual
0, como, por exemplo, a instruo MOV REG,0, ento a MMU, ao receber o
endereo do processador, descobrir que este est na pgina virtual 0
(endereos de 0 at 4095). Como esta pgina est mapeada na moldura de
pgina 2 (endereos de 8192 at 12287), o endereo fsico que a MMU ir
gerar ser o 8192. 41. Se agora o programa executar uma instruo MOV
REG, 20500, que acessa o endereo virtual 20500, ento o endereo
fsico gerado pela MMU ser agora o 12308, pois o endereo 20500 est
na pgina virtual 5 (endereos de 20480 at 24575), que mapeada para a
moldura de pgina 3 (cujos endereos vo de 12288 at 16383), e est a
20 bytes do incio desta pgina. 42. Suponha que o programa executou
uma instruo que acessa o endereo virtual 32780, que est dentro da
pgina virtual 8. Como a pgina no est mapeada na memria (pois temos
um X na entrada ), a MMU gera uma interrupo, chamada de falha de
pgina, para que o sistema possa carregar na pgina acessada na
memria. Em geral, o hardware possui um bit ausente/presente para
indicar se a pgina est ou no mapeada. 43. Suponha que o sistema
decidiu carregar a pgina virtual 8 na moldura de pgina 1, salvando
o contedo da pgina virtual 1, que estava mapeada nesta moldura, no
disco, se necessrio. Ento, alm de copiar a pgina virtual 8 para a
moldura de pgina 1, o sistema dever atualizar a entrada 1 da tabela
de pginas X (pois a pgina 1 agora no est mais mapeada), e a entrada
8 da tabela para a moldura de pgina 1. 44. Depois de copiar a pgina
virtual 8 para a moldura de pgina 1, a instruo que acessou o
endereo 32780 reiniciada, e este endereo convertido para o endereo
fsico 4108, pois este est a 12 bytes do endereo inicial da pgina
(que 32768), e o primeiro endereo da moldura de pgina 1 o 4096. 45.
A converso de um endereo virtual para um endereo fsico pela MMU
feita do seguinte modo: Funcionamento interno da MMU. O endereo
virtual dividido e dois campos: o nmero de pgina e o deslocamento
dentro desta pgina. O nmero da pgina usado como um ndice na tabela
de pginas para obter o nmero da moldura de pgina com esta pgina. O
endereo fsico enviado pela MMU memria ser composto por este nmero
da moldura, e pelo deslocamento dentro desta pgina, que ser o mesmo
dentro da moldura. Vamos ver como a MMU funciona mais de perto,
vendo como o endereo virtual 8196 convertido no endereo fsico
24580, num computador com memria fsica de 32K, com 64K de espao de
endereamento virtual, e com pginas com tamanho de 4K. 46. A
converso de um endereo virtual para um endereo fsico pela MMU feita
do seguinte modo: Passo 2: o nmero da pgina 2, usado como um ndice
na tabela de pginas para obter a entrada desta pgina. Como o bit
ausente/presente da entrada igual a 1 , o valor 6 (110 em binrio)
da entrada indica que esta pgina foi copiada para a moldura de
pgina 6. Se o bit ausente/presente fosse igual a 0, ento a MMU iria
gerar uma falha de pgina, para que o sistema operacional possa
escolher uma moldura em que colocar a pgina que acabou de ser
referenciada. 47. A converso de um endereo virtual para um endereo
fsico pela MMU feita do seguinte modo: Passo 3: o endereo fsico que
a MMU vai enviar para a memria formado, sendo que este ser composto
pelo deslocamento de 12 bits nos seus bits inferiores, e por 3 bits
superiores, que indicam a moldura de pgina, pois o tamanho da
memria de 32K, e o tamanho da moldura de 4K. No nosso exemplo, o
valor 65 lido na tabela ir compor o endereo fsico, juntamente com o
deslocamento de 4, o que formar o endereo fsico 24580, que est a 4
bytes do incio da moldura de pgina 6 (que comea no endereo 24576).
48. A converso de um endereo virtual para um endereo fsico pela MMU
feita do seguinte modo: Passo 4: o endereo fsico 24580 colocado no
barramento, para que a instruo que acessou o endereo virtual 8196
possa ser corretamente executada. 49. Para saber mais: pg.
106-117
