Capítulo 8 Memoria virtual.

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1 Capítulo 8 Memoria virtual

2 Estructuras de hardware y de control
Todas las referencias a la memoria se traducirán dinámicamente a direcciones físicas durante la ejecución: Un proceso puede cargarse y descargarse de la memoria principal de tal forma que ocupe regiones diferentes. Un proceso puede dividirse en varias partes y no es necesario que estas partes se encuentren contiguas en la memoria principal durante la ejecución: No será necesario que todas las páginas o todos los segmentos de un proceso estén en la memoria durante la ejecución.

3 Ejecución de un programa
El sistema operativo comienza trayendo sólo unos pocos fragmentos del programa. El conjunto residente es la parte de un proceso que está realmente en la memoria principal. Si el procesador encuentra una dirección lógica que no está en la memoria principal, genera una interrupción que indica un fallo de acceso a la memoria. El sistema operativo pone al proceso interrumpido en estado Bloqueado.

4 Ejecución de un programa
El sistema operativo necesita traer a la memoria principal el fragmento del proceso que contiene la dirección lógica que provocó el fallo de acceso: El sistema operativo emite una solicitud de Lectura de E/S al disco. El sistema operativo puede expedir otro proceso para que se ejecute mientras realiza la operación de E/S. Una vez que el fragmento deseado se ha traído a la memoria principal y se ha emitido la interrupción de E/S, se devuelve el control al sistema operativo, que coloca el proceso afectado en el estado de Listo.

5 Ventajas de dividir un proceso
Se pueden mantener más procesos en la memoria principal: Se cargan sólo algunos fragmentos de un proceso particular. Con tantos procesos en la memoria principal es muy probable que uno de los procesos esté en estado Listo en un instante determinado. Es posible que un proceso sea más grande que toda la memoria principal.

6 Tipos de memoria Memoria real: Memoria virtual: Memoria principal.
Memoria situada en el disco. Permite una multiprogramación muy efectiva y releva al usuario de las rígidas e innecesarias restricciones de la memoria principal.

7 Hiperpaginación El sistema operativo expulsa un fragmento de un proceso justo antes de ser usado. El procesador consume más tiempo intercambiando fragmentos que ejecutando instrucciones de usuario.

8 Principio de cercanía Las referencias a los datos y al programa dentro de un proceso tienden a agruparse. Durante cortos periodos de tiempo se necesitarán sólo unos pocos fragmentos de un proceso. Sería posible hacer predicciones inteligentes sobre qué fragmentos de un proceso se necesitarán en un futuro cercano. El principio de cercanía sugiere que los esquemas de memoria virtual pueden funcionar eficazmente.

9 Soportes de la memoria virtual
Tiene que existir un soporte de hardware para la paginación y la segmentación. El sistema operativo debe incluir un software para gestionar el movimiento de páginas o segmentos entre memoria secundaria y memoria principal.

10 Paginación Cada proceso tiene su propia tabla de página.
Cada entrada de la tabla de páginas contiene el número de marco de la página correspondiente en la memoria principal. Se necesita un bit para indicar si la página correspondiente está presente en la memoria principal o no lo está.

11 El bit de modificación en la tabla de páginas
Otro bit de control necesario en la entrada de la tabla de páginas es el bit de modificación para indicar si el contenido de la página se ha alterado desde que la página se cargó en la memoria principal. Si no ha habido cambios, no es necesario escribir la página cuando sea sustituida en el marco que ocupa actualmente.

12 Entradas de la tabla de páginas
Dirección virtual Desplazamiento Número de página Entrada de la tabla de páginas P M Otros bits de control Número de marco (a) Sólo paginación Figura Formatos típicos de gestión de memoria.

13 Mecanismo de paginación
Dirección virtual N.º marco Despla- zamiento N.º pág. Despla- zamiento Registro Puntero a tabla de páginas Tabla de páginas Marco de página N.º página Despla- zamiento N.º marco Programa Mecanismo de paginación Memoria principal Figura Traducción de direcciones en un sistema de paginación.

14 Esquema de dos niveles para direcciones de 32 bits
4 Kbytes para la raíz de la tabla de páginas 4 Mbytes para la tabla de páginas de usuario 4 Gbytes para el espacio de direc- ciones de usuario Figura Tabla de páginas jerárquica de dos niveles [JACO98a].

15 Tablas de páginas La tabla de páginas completa puede ocupar una cantidad enorme de memoria principal. Para solucionar este problema, las tablas de páginas se almacenan en la memoria virtual. Cuando un proceso se está ejecutando, al menos una parte de su tabla de páginas se encuentra en la memoria principal.

16 Buffer de traducción adelantada
Cada referencia a la memoria virtual puede generar dos accesos a la memoria: Uno para obtener la entrada de la tabla de páginas correspondiente. Otro para obtener el dato deseado. Para solucionar este problema, los esquemas de memoria virtual hacen uso de un cache especial para las entradas de la tabla de páginas: Se trata de la buffer de traducción adelantada (TLB, Translation Lookaside Buffer).

17 Buffer de traducción adelantada
Contiene aquellas entradas de la tabla de páginas usadas hace menos tiempo. Funciona del mismo modo que una memoria cache.

18 Buffer de traducción adelantada
Dada una dirección virtual, el procesador examinará primero la TLB. Si la entrada de la tabla de páginas buscada está presente (un “acierto en la TLB”), se obtiene el número de marco y se forma la dirección real. Si la entrada de la tabla de páginas no se encuentra (un “fallo en la TLB”), el procesador emplea el número de página como índice para buscar en la tabla de páginas del proceso y examinar la entrada correspondiente de la tabla de páginas.

19 Buffer de traducción adelantada
Primero comprueba que la página esté en la memoria principal: Si no está, se produce un fallo en el acceso a la memoria, llamado fallo de página. El procesador actualiza la TLB para incluir esta nueva entrada de la tabla de páginas.

20 Comienzo Volver a la instrucción que falló La CPU comprueba la TLB ¿Está la entrada de la tabla de página en la TLB? Sí No Acceder a la tabla de páginas Rutina de gestión de fallo de página ¿Está la página en memoria principal? El SO ordena a la CPU leer la página del disco No Sí La CPU activa el hardware de E/S Actualizar TLB La página se transfiere del disco a memoria principal La CPU genera la dirección física ¿Memoria llena? Sí No Actualizar las tablas de páginas Actualizar las tablas de páginas Figura Funcionamiento de la paginación con buffer de traducción adelantada (TLB) [FUTH87].

21 traducción adelantada
Memoria secundaria Memoria principal Dirección virtual N.º pág. Despla- zamiento Nº. Pág. Despla- zamiento Buffer de traducción adelantada Acierto de TLB Despla- zamiento Cargar página Tabla de páginas Fallo de TLB N.º marco Despla- zamiento Dirección real Fallo de página Figura Uso de un Buffer de Traducción Adelantada.

22 Tamaño de página Cuanto menor sea el tamaño de página, menor será la cantidad de fragmentación interna. Cuanto menor sea la página, mayor será el número de páginas que se necesitan por proceso. Un número mayor de páginas por proceso significa que las tablas de páginas serán mayores. Esto puede significar que una gran parte de las tablas de páginas de los procesos activos deben estar en la memoria virtual. La memoria secundaria está diseñada para transferir eficazmente los bloques de datos de mayor tamaño, de manera que es propicia para tamaños de página mayores.

23 Tamaño de página Si el tamaño de página es muy pequeño, estarán disponibles en la memoria principal un gran número de páginas para cada proceso. Después de un tiempo, todas las páginas de la memoria contendrán parte de las referencias más recientes del proceso. La tasa de fallos de página será menor. Cuando se incrementa el tamaño de la página, cada página individual contendrán posiciones cada vez más distantes de cualquier referencia reciente. La tasa de fallos será mayor.

24 Figura 8.11. Comportamiento típico de la paginación en un programa.
Tasa de fallos de página Tasa de fallos de página (a) Tamaño de página (b) Número de marcos de página asignados P = Tamaño del proceso completo W = Tamaño del conjunto de trabajo N = Número total de páginas del proceso Figura Comportamiento típico de la paginación en un programa.

25 Tamaño de página Múltiples tamaños de página proporcionan la flexibilidad necesaria para usar una TLB eficazmente. Las páginas grandes se pueden utilizar para traducir instrucciones de programa. Las páginas de pequeño tamaño se pueden emplear para las pilas de los hilos. La mayoría de los sistemas operativos favorecen el uso de un solo tipo de página.

26 Ejemplos de tamaños de páginas
Tabla Ejemplos de tamaños de páginas. Computadora Tamaño de página Atlas palabras de 48 bits Honeywell-Multics palabras de 36 bits IBM 370/XA y 370/ESA 4 Kbytes Familia VAX bytes IBM AS/ bytes DEC Alpha 8 Kbytes MIPS de 4 Kbytes a 16 Mbytes UltraSPARC de 8 Kbytes a 4 Mbytes Pentium de 4 Kbytes a 4 Mbytes Power Pc 4 Kbytes

27 Segmentación Los segmentos pueden ser de distintos tamaños, incluso de forma dinámica. Simplifica la gestión de estructuras de datos crecientes. Permite modificar y recopilar los programas independientemente. Se presta a la compartición entre procesos. Se presta a la protección.

28 Tablas de segmentos Segmento correspondiente de la memoria principal.
Cada entrada de la tabla de segmentos contiene la longitud del segmento. Se necesita un bit para indicar si el segmento correspondiente está presente en la memoria principal. Otro bit de control necesario es un bit de modificación que indique si el contenido del segmento correspondiente ha sido modificado desde que se cargó por última vez en la memoria principal.

29 Entradas de las tablas de segmentos
Dirección virtual Número de segmento Desplazamiento Entrada del segmento de tabla P M Otros bits de control Longitud Base de segmento (b) Sólo segmentación Figura Formatos típicos de gestión de memoria.

30 Paginación y segmentación combinadas
La paginación es transparente al programador. La paginación elimina la fragmentación externa. La segmentación es visible para el programador. La segmentación permite gestionar estructuras de datos que pueden crecer, la modularidad y el soporte de la compartición y la protección. Cada segmento se divide en varias páginas de tamaño fijo.

31 Paginación y segmentación combinadas
Dirección virtual Número de segmento Número de página Despla- zamiento Nº. segmento Entrada de la tabla de segmentos Otros bits de control Longitud Base de segmento Entrada de la tabla de páginas P M Otros bits de control Número de marco P = Bit de presencia M = Bit de modificación (c) Segmentación y paginación combinadas Figura Formatos típicos de gestión de memoria.

32 Figura 8.14. Relaciones de protección entre segmentos.
Dirección Memoria principal Distribuidor Ningún acceso permitido Proceso A Instrucción de salto (no permitida) Proceso B Referencia a datos (permitida) Proceso C Referencia a datos (no permitida) Figura Relaciones de protección entre segmentos.

33 Políticas de lectura Política de lectura:
Está relacionada con la decisión de cuándo se debe cargar una página en la memoria principal. Con la paginación por demanda, se trae una página a la memoria principal sólo cuando se hace referencia a una posición en dicha página: Cuando un proceso se ejecute por primera vez, se producirán muchos fallos de página. Con la paginación previa, se cargan más páginas de las necesarias: Es más eficiente traer a la memoria un número de páginas contiguas.

34 Políticas de reemplazo
Política de ubicación: Qué página se va a reemplazar. La página que se va a reemplazar tiene que ser la que tenga una menor posibilidad de ser referenciada en un futuro cercano. La mayoría de las políticas intentan predecir el comportamiento futuro en función del comportamiento pasado.

35 Políticas de reemplazo
Bloqueo de marcos: Cuando un marco está bloqueado, la página cargada en ese marco no puede ser reemplazada. La mayoría del núcleo del sistema operativo está en marcos bloqueados. Estructuras de control. Buffers de E/S. El bloqueo se consigue asociando un bit de bloqueo a cada marco.

36 Algoritmos básicos de reemplazo
Política óptima: Selecciona para reemplazar la página que tiene que esperar una mayor cantidad de tiempo hasta que se produzca la referencia siguiente. Es imposible de implementar porque requiere que el sistema operativo tenga un conocimiento exacto de los sucesos futuros.

37 Algoritmos básicos de reemplazo
Política de la usada menos recientemente (LRU): Reemplaza la página de memoria que no ha sido referenciada desde hace más tiempo. Debido al principio de cercanía, ésta sería la página con menor probabilidad de ser referenciada en un futuro cercano. Una solución sería etiquetar cada página con el momento de su última referencia.

38 Algoritmos básicos de reemplazo
Política de primera en entrar primera en salir (FIFO): Trata los marcos asignados a un proceso como un buffer circular. Las páginas se suprimen de la memoria según la técnica de turno rotatorio (round-robin). Es una de las políticas de reemplazo más sencillas de implementar. Se reemplaza la página que ha estado más tiempo en la memoria. Estas páginas pueden necesitarse de nuevo y en un plazo de tiempo corto.

39 Algoritmos básicos de reemplazo
Política del reloj: Requiere asociar un bit adicional a cada marco, denominado bit de uso. Cuando se carga una página por primera vez en un marco de memoria, el bit de uso de dicho marco se pone a cero. Cuando se hace referencia a la página posteriormente, el bit de uso se pone a 1. Cuando llega el momento de reemplazar una página, el primer marco encontrado con el bit de uso a 0 es reemplazado. Durante la búsqueda para realizar reemplazos cada bit de uso a 1 se cambia a 0.

40 (a) Estado del buffer justo antes del reemplazo de página
Primer marco en el buffer circular de marcos que son candidatos para el reemplazo Página 9 uso = 1 Página 19 uso = 1 Página 1 uso = 1 Puntero al siguiente marco Página 45 uso = 1 Página 222 uso = 0 Página 191 uso = 1 Página 33 uso = 1 Página 556 uso = 0 Página 67 uso = 1 Página 13 uso = 0 (a) Estado del buffer justo antes del reemplazo de página Figura Ejemplo de funcionamiento de la política del reloj.

41 (b) Estado del buffer justo después del siguiente reemplazo de página
uso = 1 Página 19 uso = 1 Página 1 uso = 0 Página 45 uso = 0 Página 222 uso = 0 Página 191 uso = 0 Página 727 uso = 1 Página 33 uso = 1 Página 67 uso = 1 Página 13 uso = 0 (b) Estado del buffer justo después del siguiente reemplazo de página Figura Ejemplo de funcionamiento de la política del reloj.

42 Algoritmos básicos de reemplazo
Almacenamiento intermedio de páginas: La pista de la página reemplazada se asigna a una de las dos listas siguientes: La lista de páginas libres, si la página no ha sido modificada. La lista de páginas modificadas, si lo ha sido.

43 Tamaño del conjunto residente
Asignación fija: Otorga a cada proceso un número fijo de páginas en las que ejecutar. Cada vez que se produce un fallo de página en la ejecución de un proceso, se debe reemplazar una de las páginas de dicho proceso. Asignación variable: Permite que el número de marcos asignados a un proceso cambie a lo largo de su vida.

44 Asignación variable y alcance global
Es la combinación más sencilla de implementar. Ha sido adoptada por un buen número de sistemas operativos. Normalmente el sistema operativo mantiene un lista de marcos libres. Cuando se produce un fallo de página, se añade un marco libre al conjunto residente del proceso. Cuando no hay marcos libres, el sistema operativo debe elegir una página que esté en la memoria para reemplazar.

45 Asignación variable y alcance local
Cuando se carga un nuevo proceso en la memoria, se le asigna cierto número de marcos en función del tipo de aplicación, las necesidades del programa u otros criterios. Cuando se produce un fallo de página, se selecciona la página a reemplazar de entre las del conjunto residente del proceso que sufre el fallo. Se vuelve a evaluar la asignación de vez en cuando.

46 Políticas de vaciado Vaciado por demanda: Vaciado previo:
Una página se escribirá en la memoria secundaria sólo cuando haya sido elegida para reemplazarse. Vaciado previo: Escribe las páginas modificadas por lotes.

47 Políticas de vaciado La mejor solución es incorporar almacenamiento intermedio de páginas: Las páginas reemplazadas pueden situarse en dos listas: Modificadas y no modificadas. Las páginas de la lista de modificadas pueden escribirse periódicamente por lotes. Una página de la lista de no modificadas pueden reclamarse, si se le hace de nuevo referencia o perderse, cuando se asigna su marco a otra página.

48 Control de carga Determina el número de procesos que pueden estar en la memoria principal. Cuando hay pocos procesos residentes en la memoria, habrá muchas ocasiones en las que todos los procesos estén bloqueados y se gastará mucho tiempo en el intercambio. Si hay demasiados procesos residentes, el resultado será la hiperpaginación.

49 Suspensión de procesos
Procesos con la prioridad más baja. Procesos con fallos de página: Este proceso no tiene su conjunto de trabajo en la memoria principal, por lo que quedará bloqueado de todas formas. Último proceso activado: Este es el proceso con menos posibilidades de tener su conjunto de trabajo residente.

50 Suspensión de procesos
Proceso con el conjunto residente más pequeño: Este es el proceso que necesita el menor esfuerzo futuro para volver a cargar el conjunto residente. El proceso mayor: Esta alternativa obtiene la mayor cantidad de marcos libres. Procesos con la mayor ventana de ejecución restante.

51 Gestión de memoria en UNIX y Solaris
Sistema de paginación: Tabla de páginas. Descriptor de bloques de disco. Tabla de marcos de página. Tabla de uso de intercambios.

52 Estructuras de datos (a) Entrada de la tabla de páginas
Número de marco de página Edad Copia en es- critura Modifi- cación Refe- rencia Validez Protec- ción Número de marco de página Edad (a) Entrada de la tabla de páginas Número de dispositivo de intercambio Número de bloque de dispositivo Tipo de almacenamiento (b) Descriptor de bloques de disco Figura Formatos de gestión de memoria en UNIX SVR4.

53 Estructuras de datos (c) Entrada de la tabla de marcos de página
Estado de la página Contador de referencias Dispositivo lógico Número de bloque Puntero a marco de página Número de marco de página Edad (c) Entrada de la tabla de marcos de página Contador de referencias Página/número de unidad de almacenamiento (d) Entrada de la tabla de utilización del intercambio Figura Formatos de gestión de memoria en UNIX SVR4.

54 Gestión de memoria en UNIX y Solaris
Reemplazo de páginas: Es un refinamiento de la política del reloj. Asignador de memoria del núcleo: La mayor parte de estos bloques son significativamente más pequeños que el tamaño de página en las máquinas normales.

55 Gestión de memoria en Linux
Directorio de páginas. Directorio intermedio de páginas. Tabla de páginas.

56 Gestión de memoria en Windows 2000
Paginación en W2K: Disponible. Reservada. Confirmada.

57 Región de 64 Kilobytes para la asignación de punteros NULL (inaccesible) Región de 2 Gigabytes para el espacio de direcciones de usuario (no reservado, utilizable) Región de 64 Kilobytes para la asignación incorrecta de punteros (inaccesible) Región de 2 Gigabytes para el sistema operativo (inaccesible) Figura Espacio de direcciones virtuales por defecto en Windows 2000.