Arquitetura de Sistemas Operacionais Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia

1. Arquitetura de Sistemas Operacionais Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia Complementadopor Sidney Lucena (Prof. UNIRIO) Capítulo 10 Gerência de Memória Virtual

2. Memória Virtual • A técnica de memória virtual fundamenta-se em desvincular o espaço de endereçamento físico (RAM) do espaço de endereçamento usado pelo programa. • Para tal é criado um espaço de endereçamentovirtual, linear e contínuo (semelhante a um vetor), para atender os requisitos de memória de um dado programa abstraindo-se questões de implementação física. • Os objetivos principais desta técnica são o de maximizar o número de processos em memória, reduzir a fragmentação e permitir estruturas de dados maiores que a memória física.

3. Espaço de Endereçamento Virtual • Vetor de 100 posições

4. Espaço de Endereçamento Virtual • O espaço de endereços virtuais, arranjados na forma de vetor, corresponde à memória virtual e pode ser maior que o espaço de memória real. ASO – Machado/Maia – complem. por Sidney Lucena (UNIRIO)

5. Espaço de Endereçamento Virtual • A porção de memória virtual ativa do programa fica situada na memória principal, o restante fica armazenado em disco. ASO – Machado/Maia – complem. por Sidney Lucena (UNIRIO)

6. Mapeamento • A unidade de gerenciamento de memória (Memory Management Unit – MMU) mapeia os endereços virtuais em endereços físicos. • OBS: um programa não precisa estar em endereços contíguos da memória principal para ser executado.

7. Mapeamento • O mecanismo de tradução se encarrega de manter tabelas de mapeamento exclusivas para cada processo. • Quando ocorre troca de processo, registrador contendo posição inicial da tabela de mapeamento é atualizado.

8. Mapeamento • Problema: se cada entrada na tabela de mapeamento representar uma célula da memória virtual, o espaço ocupado pela tabela seria da ordem de tamanho da memória virtual, inviabilizando sua implementação. • Solução: particiona-se a memória virtual em blocos. • Cada bloco da memória virtual estará representado por uma entrada na tabela de mapeamento. • Tamanho do bloco determina o número de entradas na tabela de mapeamento. • 3 técnicas são usadas para o particionamento em blocos: paginação, segmentação e segmentação com paginação. • Abordagens também se apoiam no princípio da localidade.

9. Memória Virtual por Paginação • A técnica mais comum utilizada para implementar memória virtual é a paginação. • Nesta técnica, tanto memória virtual como memória principal são divididas em blocos de igual tamanho chamados páginas. • Tamanho do bloco determina o nível de fragmentação. • Quando uma página referenciada não é encontrada na RAM, diz-se que houve um page fault. • Na ocorrência de um page fault, realiza-se uma operação de paginação, ou seja, de troca de páginas entre a memória principal e a memória virtual em disco.

10. Memória Virtual por Paginação • Cada processo possui sua própria tabela de páginas. • Uma página virtual contém um bloco de endereços virtuais. • ETP: Entrada da Tabela de Páginas, associada a cada página virtual de um processo. • Os blocos da memória principal que abrigam as páginas reais são chamados frames.

11. Memória Virtual por Paginação • O endereço virtual é composto pelo número da página virtual (NPV) mais seu deslocamento na página. • O NPV serve para indexar a tabela de páginas e obter o endereço do frame. • O endereço físico correspondente ao endereço virtual é obtido a partir do endereço físico do frame encontrado na tabela de páginas mais o deslocamento.

12. Memória Virtual por Paginação • O bit de validade numa ETP indica se a página em questão encontra-se na memória principal ou não. • Se a ETP da página que contém o endereço virtual desejado tem bit de validade 0, ou seja, não está na memória principal, ocorre um page fault.

13. Políticas de Substituição de Páginas • Quando ocorre um page fault, a página referenciada é carregada para a memória principal (page in) no local de uma página que já se encontrava na RAM (page out, supondo memória RAM cheia). Esta página a ser substituída é escolhida segundo algum algoritmo de substituição.

14. Políticas de Substituição de Páginas • Políticas de Substituição de Página: • Política de Substituição Local: apenas páginas referentes ao processo corrente podem ser substituídas. • Política de Substituição Global: páginas de qualquer processo podem ser substituídas. • Políticas de Busca de Páginas: • Paginação por Demanda: páginas são transferidas para a memória principal apenas quando referenciadas. • Paginação Antecipada: além da página referenciada, o sistema carrega um conjunto de outras páginas para a memória esperando que elas venham a ser referenciadas mais tarde.

15. Políticas de Substituição de Páginas • Políticas de Alocação de Página: determina quantos frames cada processo pode manter na memória principal. • Política de Alocação Fixa: cada processo tem um número máximo de frames que podem ser usados durante sua execução. • Definido no momento da criação do processo de acordo com o tipo de aplicação que será executada. • Política de Alocação Variável: número máximo de frames pode variar durante sua execução de acordo com a taxa de paginação e a ocupação da memória principal. • Mais flexível, mas exige overhead para o monitoramento dos processos.

16. Working Set • Número elevado de page faults causa problema de desempenho ao sistema. • Conceito de working set visa reduzir este problema e está associado ao princípio da localidade (temporal e espacial).

17. Working Set • Conjunto de páginas referenciadas por um mesmo processo durante determinado intervalo de tempo. • Working Set de um processo é função do tempo e do tamanho da janela do working set.

18. Working Set • Tamanho do working set corresponde ao número de páginas distintas referenciadas dentro da janela do working set.

19. Working Set • Working Set permite prever quais páginas serão necessárias a execução do programa. • Reflete a localidade do programa, reduz a taxa de paginação. • Aumento do limite de páginas reais de um programa reduz paginação pelo custo de ocupar mais memória, porém até certo limite.

20. Algoritmos de Substituição de Páginas • Procuram manter o working set dos processos na memória principal sem comprometer o desempenho do sistema. • O algoritmo ótimo seria (utopicamente) aquele que selecionasse uma página que não será mais referenciada ou que será a menos referenciada. • Exemplos de algoritmos: • Aleatório; • FIFO (escolhe a página mais antiga); • LFU (Least Frequetly Used), LRU (Least Recently Used) e NRU (Not Recently Used, similar ao LRU, usa bit de referência - BR); • FIFO c/ buffer de páginas (combina lista de frames alocados e lista de frames livres na MP); • FIFO circular (se a página mais antiga foi referenciada recentemente, ela vai para o final da fila).

21. Algoritmos de Substituição de Páginas • FIFO

22. Algoritmos de Substituição de Páginas • FIFO com Buffer de Páginas: • LPA e LPL ordenadas por antiguidade dos frames; • (a) Na alocação de nova página, usa primeiro frame da LPL; • (b) Na liberação de uma página para substituição, usa primeira da LPA, correspondente ao frame a mais tempo na memória, e o coloca no final da LPL; • (c) Caso seja novamente referenciada, retira-a da LPL e vai p/fim da LPA.

23. Algoritmos de Substituição de Páginas • FIFO Circular (Clock): • Ponteiro guarda posição da página mais antiga na lista; • BR indica se página foi recentemente referenciada; • Na substituição, sistema verifica se frame tem BR = 0 (não referenciada) e a seleciona; • Se BR = 1, faz BR = 0 e incrementa ponteiro.

24. Tamanho de Página • Depende da arquitetura do hardware, normalmente situa-se entre 512 e 16M endereços. • Fator importante no projeto de sistemas c/ paginação, tem impacto no tamanho das tabelas na MP. • Páginas pequenas, maiores tabelas de mapeamento, maior taxa de paginação, maiores operações de E/S; • Páginas grandes, menores tabelas de mapeamento, maior fragmentação interna. • Tendência dos SOs atuais é por páginas cada vez maiores.

25. Paginação em Múltiplos Níveis • Paginação em um nível:

26. Paginação em Múltiplos Níveis • Problema: tamanho das tabelas de páginas de um nível continuam grandes para dados realistas (ex: páginas de 4K endereços em arquitetura de 32 bits ocupam cerca de 4MB). • Solução: usar tabelas de páginas em múltiplos níveis (princípio da localidade é aplicado às tabelas de mapeamento). • Apenas as informações sobre páginas realmente necessárias aos processos ficam residentes na memória principal. • Em outras palavras: a tabela de páginas também passa a ser paginada.

27. Paginação em Múltiplos Níveis • Endereço virtual em dois níveis:

28. Paginação em Múltiplos Níveis • Paginação em dois níveis:

29. Translation Lookaside Buffer • Translation Lookaside Buffer (TLB): • Se vale do princípio da localidade e mapea endereços virtuais em endereços físicos para evitar o acesso à tabela de páginas. • Funciona como uma memória cache, mantendo a tradução dos endereços virtuais das páginas mais referenciadas recentemente. • Campos da TLB:

30. Translation Lookaside Buffer • Translation Lookaside Buffer (TLB)

31. Proteção de Memória • Proteção: cada página conta com dois bits de proteção nas ETPs, um permitindo ou não acesso de leitura, outro permitindo ou não acesso de escrita. • SO deve impedir que um processo acesse uma página do sistema, que não a dele, sem autorização explicitada nos bits de proteção.

32. Compartilhamento de Memória • Em sistemas que implementam memória virtual, é muito simples implementar reentrância, bastando que as entradas das tabelas de mapeamento dos processos apontem p/ os mesmos frames.

33. Memória Virtual por Segmentação • Espaço de endereços é dividido em blocos de diferentes tamanhos chamados segmentos. • Mantém uma relação lógica com a estrutura do programa e sua alocação na memória principal. • A definição dos segmentos costuma ser realizada pelo compilador e cada segmento pode representar um procedimento, uma função, um vetor ou uma pilha. • É atribuído a cada processo um número máximo de segmentos e um tamanho máximo para cada segmento. • Pode ter problema de fragmentação externa.

34. Memória Virtual por Segmentação • Segmentação

35. Memória Virtual por Segmentação • O mecanismo de mapeamento é semelhante ao da paginação. • Campos da ETS:

36. Memória Virtual por Segmentação • Paginação x Segmentação:

37. Memória Virtual por Segmentação com Paginação • Segmentação com paginação: realiza paginação para cada segmento. • Procura oferecer as vantagens de ambas as técnicas.

38. Swapping em Memória Virtual • Exatamente a mesma técnica de swapping, porém aplicada às páginas ou segmentos referentes aos processos swapped out e, posteriormente, swapped in.

39. Thrashing • Ocorre quando há uma taxa elevada de faults, sejam de segmentos ou de páginas, seja a nível de sistema ou de processo. • Acarreta uma degradação no desempenho da máquina: uma página ou segmento swapped out em breve será requisitada para fazer swap in, causando um efeito cascata. • CPU perde muito tempo com swapping de páginas/segmentos. • Se houver uma demanda de memória, pelos processos a serem executados, maior que a capacidade da memória principal, a única solução é aumentar esta capacidade.