Memoria

1. Memoria Sebastián Sánchez Prieto

2. Definición • La memoria es una amplia tabla de datos, cada uno de los cuales con su propia dirección • Tanto el tamaño de la tabla (memoria), como el de los datos incluidos en ella dependen de cada arquitectura concreta • Para que los programas puedan ser ejecutados es necesario que estén cargados en memoria principal • La información que es necesario almacenar de modo permanente se guarda en dispositivos de almacenamiento secundarios también conocidos como memoria secundaria Memoria F0B50011 33 F0B50012 C0 BF F0B50013

3. Localidad • Los procesos tienden a concentrar sus referencias en un intervalo de tiempo en un subconjunto de su espacio de direcciones • Según Donald Knuth [1971]: • Los programas, normalmente, tienen un perfil muy desigual, con unos pocos picos agudos... También encontramos que menos del 4 por 100 de un programa, generalmente, representa más de la mitad de su tiempo de ejecución • Es una propiedad empírica más que teórica • La localidad puede ser de dos tipos: • Localidad espacial • Localidad temporal

4. Localidad espacial y temporal • Localidad espacial: una vez hecha una referencia a una posición de memoria, es muy probable que las localidades cercanas sean también referenciadas. • En apoyo a esta observación encontramos: • Ejecución secuencial del código • Tendencia de los programadores a colocar próximas entre sí las variables relacionadas • Acceso a estructuras de datos de tipo matriz o pila • Localidad temporal: una vez hecha una referencia a una posición de memoria en un determinado instante t, es muy probable que esa misma posición sea accedida en un instante t + t • Justificada por: • Formación de ciclos • Subrutinas • Pilas

5. Jerarquía de memoria • La jerarquización de la memoria es un intento de aumentar el rendimiento de los computadores • Para ello se aprovechan los avances tecnológicos en el diseño de memorias y la localidad de los programas • Memorias rápidas: tienen un coste elevado y una capacidad pequeña • Memorias lentas: son baratas y tienen una capacidad alta COMPROMISO!!! Registros internos del procesador CD-ROM - Cintas Menor rapidez mayor tamaño y menor precio Mayor rapidez menor tamaño y mayor precio Caché on-chip L1 Caché externa L2 Memoria principal Discos magnéticos

6. Fragmentación • Fragmentación = memoria desaprovechada • Puede ser de dos tipos, interna y externa • Fragmentación interna • Se debe a la diferencia de tamaño entre la partición de memoria y el objeto residente dentro de ella • Se produce siempre que se trabaje con bloques de memoria de tamaño fijo • Si el tamaño del objeto no coincide con el de la partición, queda una zona que no se puede aprovechar • Fragmentación externa • Se debe al desaprovechamiento de memoria entre particiones

7. Direcciones Simbólicas/Físicas Otros objetos Bibliotecas dinámicas Compilador o Ensamblador Programa ejecutable Programa objeto Programa fuente Enlazador Cargador Bibliotecas Memoria

8. Reubicación • La reubicación hace referencia al hecho de poder localizar a los programas para su ejecución en diferentes zonas de memoria • Reubicación estática • Se realiza antes o durante la carga del programa en memoria • Los programas no pueden ser movidos una vez iniciados • Reubicación dinámica • Los programas pueden moverse en tiempo de ejecución • El paso de dirección virtual a dirección real, se realiza en tiempo de ejecución • Necesita hardware adicional (MMU)

9. Memoria caché • Intenta reducir el desajuste entre las velocidades del procesador y de las memorias • Su empleo se justifica por la localidad de los programas • Es una solución de compromiso entre mejora de rendimiento y precio • La idea de emplear memorias caché consiste en mantener en ellas los datos o instrucciones que el procesador necesita en cada momento • Si los datos o instrucciones se encuentran en la caché el acceso en muy rápido, si no es así, los datos se traen desde memoria principal en bloques

10. Diseño de la caché • A los bloques de transferencia entre memoria principal y memoria caché se les denomina líneas o vías de caché • Decisiones de diseño: • ¿Qué tamaño deben tener las líneas de caché? • ¿Cómo se sabe si un bloque está en la caché? • ¿Cómo se establece la correspondencia entre líneas de caché y bloques de MP? • ¿Qué hacer cuando una línea de caché es modificada? • ¿Qué estrategia se debe emplear cuando es necesario reemplazar una línea de caché?

11. Caché de correspondencia directa 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 Dirección generada por el procesador 6 3 9 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 1 15 2 3 3 12 4 6 5 1 Fallo 6 2 7 4 TAG

12. Caché completamente asociativa 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 Dirección generada por el procesador 3 78 0 1 2 3 4 5 6 7 0 126 1 16 2 20 3 105 4 19 5 Acierto 78 6 79 7 80 TAG

13. Caché asociativa por conjuntos 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 Dirección generada por el procesador 19 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 31 0 16 20 1 12 Acierto 19 2 15 0 3 1 TAG

14. Memoria caché • Coherencia: ¿qué ocurre si un dato de la caché se modifica? • En tal caso se produce una inconsistencia entre los contenidos memoria caché y memoria principal • Problema grave en sistemas multiprocesador • Estrategias de actualización: • Write back • Write through • También cabe considerar las estrategias de sustitución de líneas de caché cuando existen varias vías por conjunto • Normalmente se emplean cachés separadas para instrucciones y para datos

15. Gestión de la memoria principal • Analizaremos dos de los mecanismos más ampliamente ofrecidos por las arquitecturas actuales: segmentación y paginación • En ambos casos debe existir una unidad de manejo de memoria (MMU) encargada de traducir direcciones virtuales a direcciones físicas • Cada esquema tiene sus propias ventajas e inconvenientes • Ambos aportan protección y posibilidad de compartir información entre procesos • Analizaremos también una combinación de los dos esquemas para tratar de obtener las ventajas de ambos

16. Segmentación • Es un esquema de gestión de memoria con varias ventajas: • Permite que los bloques de un proceso (código, datos, pila, DLLs, etc.) puedan estar situados en áreas de memoria no contiguas • Suministra reubicación dinámica • Aporta protección y uso compartido • Las direcciones en estos sistemas tienen dos componentes: número de segmento y offset • En el 80x86 mov eax, ds:esi • Para localizar el dato se utiliza el selector DS y el desplazamiento SI • Los segmentos pueden tener tamaños diferentes

17. Segmentación (esquema lógico) Espacio de direccionamiento virtual Espacio de direccionamiento real Memoria física Código Dátos Dátos MMU Datos compartidos Datos compartidos Pila Código Pila

18. Segmentación (HW) Procesador Memoria D S D ¡¡¡ Error !!! < + Tabla de segmentos RPBTS Base 1 Límite 1 Base 2 Límite 2 S Base 3 Límite 3 Base 4 Límite 4 Base 5 Límite 5 RLTS Base 6 Límite 6 Base 7 Límite 7 Base 8 Límite 8 Base 5

19. Cuestiones • ¿Qué ocurre si la tabla de segmentos es muy grande? • Solución: se guarda en memoria apuntada por un registro base (RPBTS) • Problema: se necesitan dos referencias por cada acceso, uno a la tabla de segmentos y el otro a la posición referenciada • Solución: utilizar registros internos dentro de la CPU (Intel) • En estos registros se almacenan las últimas entradas utilizadas de la tabla de segmentos • Mientras el segmento no se cambie, la entrada se mantiene en estos registros

20. Protección y uso compartido • Protección basada en los registros base y límite • Se pueden establecer distintos derechos de acceso (rwx) a cada segmento del proceso • Estos derechos suelen guardarse en la tabla de segmentos de cada proceso • El uso compartido es uno de los argumentos más importantes en favor de la segmentación • ¿Cómo pueden dos o más procesos compartir un segmento? • Basta con que dos entradas en las dos tablas de segmentos (que no tienen por qué coincidir en número) apunten a la misma dirección base

21. Ventajas e inconvenientes • Ventajas: • Elimina de fragmentación interna • Permite el crecimiento dinámico de los segmentos • Aporta protección y uso compartido • Permite un enlace y carga dinámicos • Inconvenientes: • Necesita compactación de memoria • En sistemas antiguos se fijaba un tamaño máximo fijo para cada segmento • Necesita hardware adicional • Los bloques de memoria no son múltiplos enteros de los bloques que se traen desde el disco

22. Paginación • Es un esquema de gestión de memoria en el que la asignación de memoria no es contigua • El espacio de direcciones virtuales de un proceso está dividido en bloques de tamaño fijo llamados páginas • La memoria física se divide en marcos de página • La dirección virtual consta de un número de página virtual y un desplazamiento • La traducción de direcciones se lleva a cabo con la ayuda de la tabla de páginas (TDP) • La TDP se construye en tiempo de carga del proceso en memoria

23. Paginación (esquema lógico) Espacio de direccionamiento virtual Espacio de direccionamiento real Memoria física Código A B B MMU C Páginas D D Marcos E F G A C

24. Paginación (HW) Procesador Memoria D P D M D Tabla de páginas RPBTP Marco 1 Marco 2 P Marco 3 Marco 4 Marco 5 RLTP Marco 6 Marco 7 Marco 8 Marco 5

25. Consideraciones • Si se piden “s” posiciones de memoria • nº páginas asignadas=[s/p] • p: tamaño de la página • Si el cociente anterior no es entero se produce la llamada fragmentación de página • Los marcos libres se suelen mantener en una lista enlazada • Si la TDP es muy grande, ésta se debe mantener en memoria principal • Para acelerar los accesos se emplean memorias asociativas (TLB)

26. Paginación con TLBs (HW) Procesador Memoria D P D M D Marco 5 TLB A 3 X 24 V 89 C 19 P 5 T 18 Tabla de páginas S 5 RPBTP Marco 1 R 10 Marco 2 P Marco 3 Marco 4 Marco 5 RLTP Marco 6 Marco 7 Marco 8

27. Protección y uso compartido • Protección basada en bits de acceso de las entradas de la TDP • Compartir páginas es bastante sencillo • Basta con que dos o más procesos tengan en una de sus entradas de la TDP la misma referencia a un marco • La paginación es gestionada por completo por el sistema operativo • La paginación elimina la fragmentación externa, pero no la interna • Con página grande aumentamos la fragmentación interna pero disminuimos el tamaño de la TDP

28. Problemas de la paginación • Fragmentación interna (ya comentado) • Si el número de páginas es grande, la zona de memoria ocupada por la TDP puede ser excesiva • Ejemplo: • Tamaño de cada entrada de la TDP: 4 bytes • Espacio de direccionamiento: 32 bits • Páginas de 4 Kbytes • Tamaño de la TDP: 4 Mbytes • Solución • Tabla de páginas paginada • Se emplea un directorio de páginas

29. Paginación de la TDP Dirección virtual Memoria D Dir P D M D Directorio de páginas Tabla de páginas RPBTP Tabla 1 Marco 1 Tabla 2 Marco 2 Dir Tabla 3 P Marco 3 Tabla 4 Marco 4 Tabla 5 Marco 5 RLTP Tabla 6 Marco 6 Tabla 7 Marco 7 Tabla 8 Marco 8

30. Segmentación paginada • Es posible combinar los esquemas de paginación y segmentación • De este modo podemos obtener las ventajas de ambos a costa de complicar el HW • Combinaciones: • Segmentación paginada • Paginación segmentada (no se emplea en la práctica) • En la segmentación paginada, cada segmento se divide en páginas • En la paginación segmentada, cada página se divide en segmentos

31. Segmentación paginada (HW) Dirección virtual Memoria S P D M D Tabla de segmentos + Tabla de páginas RPBTS S RLTS Base de la tabla de páginas

32. MMU del Pentium • El Pentium soporta segmentación, paginación y segmentación paginada • La dirección lógica está compuesta por un número de segmento (selector de segmento) y un desplazamiento • El selector de segmento es uno de los siguientes registros: CS, DS, ES, SS, FS, GS 13 1 2 Selector de segmento 16 bits Índice 0-GDT 1-LDT Nivel de privilegio

33. MMU del Pentium • LDT: Local Descriptor Table • GDT: Global Descriptor Table • Descriptor = entrada en la tabla de segmentos • Tamaño del descriptor: 8 bytes • Número máximo de entradas en cada tabla: 213 Límite Base 0-15 P DPL Tipo Base 16-23 Base 24-31 G D 0 Límite 16-19 0: Límite en bytes 1: Límite en páginas Granularidad

34. MMU del Pentium Selector Offset Límite Base + Misc Límite Descriptor Base Misc Límite Base Misc Dirección lineal 32 bits

35. MMU del Pentium Dirección lineal 32 bits Si la paginación está activada 10 bits 10 bits 12 bits Dir. Pág. Offset 32 bits 32 bits Marco de página Directorio de páginas # marco rwx

36. Memoria virtual • Problema: ejecutar programas de mayor tamaño que la memoria disponible • Soluciones: • Overlays: control directo por parte del programador • Memoria virtual: control llevado a cabo por el sistema operativo • La memoria virtual se basa en el principio de localidad • Los programas no se cargan por completo en memoria • Ventajas: • Permite aumentar el tamaño de los programas • Permite aumentar el grado de multiprogramación • Proporciona transparencia cara al usuario • Reduce la E/S, ya que evita cargar partes de un programa que raramente se utilizan

37. Memoria virtual: implementación • Para soportar memoria virtual podemos basarnos tanto en segmentación como en paginación • Lo más típico es emplear paginación porque se trabaja con bloques de tamaño fijo • De este modo, las transferencias desde y hacia el disco se llevan a cabo de un modo mucho más sencillo • Los esquemas con memoria virtual basada en segmentación son escasos • Decisiones de diseño: • ¿Qué tamaño deben tener las páginas? • ¿Cómo se sabe si una página está en memoria principal? • ¿Qué hacer cuando una página es modificada? • ¿Qué estrategia se debe emplear cuando es necesario reemplazar una página?

38. y IN OUT x OUT z IN IN OUT Memoria virtual basada en paginación Memoria principal Memoria secundaria (P0) (P3) (P1) (P0) (P4) (P2) (P3) (P4) (P5) Tabla del mapa de páginas Tabla del mapa de archivos

39. 0 Carga dinámica Lapáginaestá enmemoriaauxiliar S. O. 3 Programa Memoria secundaria Referencia 2 1 Excepción LOAD M 6 Memoria principal Reiniciar la instr. Tabla de páginas 5 Cargar la página que falla Marco libre 4 Actualizar la tabla de páginas

40. Soporte hardware • Requerimientos hardware: • Tabla de páginas • Bits en los descriptores de página: • Bit de validez: determina si la página se encuentra presente o no en memoria principal • Bit de referencia: se activa en cada acceso a la página. Lo emplean los algoritmos de reemplazo • Bit de modificación: determina si la página ha sido modificada desde que se cargó. Es importante para determinar si es necesario salvar sus contenidos • Interruptibilidad de las instrucciones • Dispositivo de almacenamiento secundario

41. Tasa de fallos de página • Es la probabilidad de que se produzca un fallo de página • p = número de fallos / número total de referencias • 0  p  1 • En general, cuantos más marcos se asignan a un proceso, menor es p • Cuando se produce un fallo se consume un tiempo de servicio de fallo • Los tiempos que más afectan son a este tiempo son: • Los cambios de contexto • Salvar una página modificada a disco (page out) • Cargar la página referencia de disco a memoria (page in) • El planificador asigna la CPU a otros procesos mientras se realizan las lecturas (page in) y escrituras asociadas al fallo de página