1. Správa pamäti

2. Ciele
Poskytnúť podrobný opis rôznych spôsobov organizácie hardveru pamäti
Prediskutovať rôzne techniky správy pamäti vrátane stránkovania a segmentovania
Poskytnúť podrobný opis procesora Intel Pentium, ktorý podporuje aj čisté segmentovanie aj segmentovanie so stránkovaním

3. Program, ktorý sa má vykonávať, musí byť zavedený z disku do hlavnej pamäti
Aby program mohol byť vykonaný, musí nad ním byť vytvorený proces a musí mu byť pridelená pamäť
Hlavná (=operačná) pamäť a registre sú jediné pamäti, ku ktorým procesor (CPU) môže pristupovať priamo
Prístup k registru trvá jeden hodinový takt alebo aj menej
Hlavná pamäť môže spotrebovať aj viac hodinových taktov
Pamäť cache sa nachádza medzi hlavnou pamäťou a registrami procesora (CPU)
Ochrana pamäti je vyžadovaná, aby bola zaistená správna činnosť

4. Rozlišujeme:
FAP – fyzický adresový priestor - pamäť fyzicky prítomná v počítači - adresový priestor fyzických adries pamäti (spoločný pre všetky procesy i jadro)
LAP – logický adresový priestor - pamäť ako abstrakcia, na ktorú sa programy odvolávajú pri adresácii - virtuálny adresový priestor, s ktorým pracuje procesor pri vykonávaní kódu (každý proces i jadro majú svoj)

5. Bázový (relokačný) register a limitný register
Pár registrov: bázový (relokačný) register a limitný register
definujú logický adresový priestor
operačný
systém
báza

6. Pridelenie adries (=address binding) sa môže vykonávať troma spôsobmi:
Počas prekladu programu - vznikne absolútny kód. Program sa dá zaviesť len na pevne určenú adresu v pamäti (.COM programy v MS-DOSe)
Počas zavedenia programu do pamäti - Relokovateľné (=premiestniteľné) adresy sa modifikujú podľa umiestnenia prog-ramu v pamäti.
Počas behu (vykonávania) programu – vyžaduje hardverovú podporu

7. Fázy spracovania používateľského programu
Fáza prekladu
Fáza zavedenia
Fáza vykonávania

8. Jednotka správy pamäti (Memory-Management Unit-MMU)
Hardvérové zariadenie, ktoré transformuje logickú adresu na fyzickú adresu
Hodnota uložená v relokačnom registri je pripočítaná ku každej adrese generovanej používateľským procesom v čase, keď je adresa posielaná do pamäti a to sa deje pri
Čítaní inštrukcie programu (fetch)
Čítaní dát (load)
Zapisovaní dát (store)
Používateľský program narába s logickými adresami. Nikdy nevidí reálne fyzické adresy

9. Dynamická relokácia (premiestňovanie) použitím relokačného registra
register
logická
adresa
fyzická
adresa
Pamäť

10. Spôsoby efektívneho využívania primárnej (operačnej) pamäti na úrovni práce s používateľskými programami
Dynamické zavedenie (dynamic loading) programov
Dynamické zostavovanie (dynamic linking).
Prekrývanie (overlay).
Odkladanie stránok na disk (paging).

11. Dynamické zavedenie (Dynamic Loading)
Procedúra sa nenačíta z disku do pamäti, kým nie je poprvýkrát volaná z programu.
Lepšie využitie pamäti; nepoužívaná procedúra sa nikdy nezavedie
DL je užitočné, keď je potrebné narábať s veľkými množstvami kódu v nie často sa vyskytujúcich prípadoch
Nie je vyžadovaná žiadna špeciálna podpora od operačného systému

12. Dynamické zostavovanie (Dynamic Linking)
Zostavovanie odložené až do fázy vykonávania programu
Malý kúsok kódu - stub - použitý, aby lokalizoval vhodnú knižničnú procedúru rezidentnú v pamäti
Stub nahradí seba samého adresou procedúry a vykoná procedúru
Operačný systém zistí, či procedúra nie je používaná iným procesom
Dynamické zostavovanie je vhodné najmä pre knižnice programov
Tento systém je známy aj pod názvom zdieľané knižnice (shared libraries)

13. Odkladanie (na disk) (Swapping)
Proces môže byť dočasne odložený(presunutý) z pamäti do záložnej pamäti a potom presunutý naspäť do hlavnej pamäti, aby pokračovalo jeho vykonávanie.
Záložná (sekundárna) pamäť – je rýchly dostatočne veľký disk na ukladanie kópií všetkých obrazov pamäti pre všetkých používateľov; musí poskytovať priamy prístup k týmto obrazom pamäti
Väčšiu časť času odkladania tvorí čas presunu; celkový čas presunu je priamo úmerný veľkosti pamäti, ktorá sa odkladá (presúva)
Modifikované verzie odkladania sa nachádzajú v mnohých operačných systémoch (napr. UNIX, Linux, and Windows)
Systém udržiava front procesov pripravených na vykonávanie, ktoré majú svoj obraz pamäti na disku

14. Schematický pohľad na odkladanie (Swapping)
operačný
systém
používateľský
priestor
záložná pamäť
hlavná pamäť

15. Odkladanie na disk (Swapping)
- priebeh v čase
Plynutie času
Operačný
systém
Operačný
systém
Operačný
systém
Operačný
systém
Operačný
systém
Operačný
systém
Operačný
systém
Pridelenie pamäti sa mení, keď procesy: prichádzajú do pamäti
2. opúšťajú pamäť
Šrafované plochy predstavujú nepoužitú pamäť.

16. Súvislé prideľovanie pamäti (Contiguous Allocation)
Hlavná pamäť je zvyčajne rozdelená na 2 časti:
Rezidentný operačný systém je spravidla uložený v dolnej pamäti (nižšie hodnoty adries) spolu s vektorom prerušenia
Používateľské procesy sú udržiavané v hornej pamäti
Relokačný register je použitý, aby ochránil používateľské procesy navzájom a aby ochránil pred zmenou kód a dáta operačného systému pred pozmenením
Bázový (relokačný) register obsahuje hodnotu najnižšej fyzickej adresy
Hraničný register (Limit register) obsahuje rozsah logických adries – t.j. každá logická adresa musí byť menšia než hodnota v hraničnom registri
MMU mapuje logickú adresu dynamicky

17. Hardvérová ochrana adries bázovým a hraničným registrom
SW prerušenie a správa monitoru OS:
Chyba adresovania
pamäť

18. Súvislé prideľovanie Contiguous Allocation
Prideľovanie viacerých súvislých úsekov
Diera – blok voľnej pamäti; diery rôznych veľkosti sú roztrúsené po pamäti
Keď príde proces, pridelí sa mu pamäť z diery dostatočne veľkej na jeho uloženie
Operačný systém udržuje informáciu o: a) pridelených úsekoch b) voľných úsekoch (dierach) OS OS OS OS
proces 5
proces 5
proces 5
proces 5
proces 9
proces 9
proces 8
proces 10
proces 2
proces 2
proces 2
proces 2

19. Príklad: Monoprogramový OS bez odkladania (swapping)
a bez stránkovania
Operačný
systém
v ROM
Ovládacie
programy v ROM
Používateľský
program
Používateľský
program
Používateľský
program
Operačný
systém
v RAM
Operačný
systém
v RAM
3 jednoduché spôsoby organizácie pamäti pri OS
s jedným používateľským procesom

20. Príklad: Multiprogramový OS s pevnou veľkosťou rámcov
Viacnásobné
vstupné fronty
Rámec 4
Rámec 4
Rámec 3
Jediný
vstupný front
Rámec 3
Rámec 2
Rámec 2
Rámec 1
Rámec 1
Operačný
systém
Operačný
systém
Pevná veľkosť pamäťových rámcov: a) Oddelené vstupné fronty pre každý rámec
b) Jediný vstupný front

21. Prideľovanie úsekov pamäti s premenlivou dĺžkou Dynamic Storage-Allocation Problem
Algoritmy na uspokojenie požiadavky na pamäťový úsek o veľkosti n zo zoznamu voľných úsekov:
First-fit (=prvý vhodný): proces sa umiestni do prvého úseku, ktorý je dostatočne veľký.
Best-fit (=najlepšie vyhovujúci): procesu sa pridelí najmenší úsek, do ktorého sa zmestí. Musí sa prehľadať celý zoznam úsekov v prípade, že zoznam nie je usporiadaný podľa veľkosti úsekov.
Vytvára najmenšie Produces the smallest leftover hole
Worst-fit (najhoršie vyhovujúci): proces sa umiestni do najväčšieho voľného úseku. (kvôli tomu sa musí prehľadať celý zoznam úsekov.)
Vytvára najväčšie Produces the largest leftover hole
Algoritmy first-fit a best-fit sú lepšie než algoritmus worst-fit, ak je rozhodujúca rýchlosť a využitie pamäti.

22. Prideľovací algoritmus
Spojovaný zoznam
Prideľovací algoritmus
Začiatok zoznamu
Prideľovacia funkcia:
Nájdi prvý voľný úsek (dieru) taký, aby bola splnená podmienka: S  Ui
Hodnotenie:
Je výhodné, ak voľné úseky sú udržiavané v poradí ich adries.

23. Prideľovací algoritmus
Spojovaný zoznam
Prideľovací algoritmus
Začiatok zoznamu
Voľné úseky sú v zozname usporiadané podľa veľkosti v rastúcej postupnosti.
U1  U2  U3   Un
Prideľovacia funkcia:
Nájdi najmenšie Ui také, aby spĺňalo podmienku, že S  Ui
Hodnotenie:
Najmešie plytvanie pamäťovým priestorom, ale necháva veľa malých nepoužiteľných dier.

24. Prideľovací algoritmus
Spojovaný zoznam
Prideľovací algoritmus
Začiatok zoznamu
Voľné úseky sú v zozname usporiadané podľa veľkosti v klesajúcej postupnosti.
U1  U2  U3  ...  Un
Prideľovacia funkcia:
Nájdi najväčšie Ui také, aby spĺňalo podmienku, že S  Ui
Hodnotenie:
Najväčšie plytvanie pamäťovým priestorom.

25. Vonkajšia a vnútorná fragmentácia
Vonkajšia fragmentácia – celkový voľný pamäťový priestor je dostatočne veľký, ale nie je spojitý
Vnútorná fragmentácia – pridelená pamäť môže byť o trochu väčšia než požadovaná veľkosť pamäti; tento rozdiel veľkosti je vo vnútri úseku, ale sa nevyužíva

26. Stránkovanie Paging
Logický adresový priestor procesu môže byť nesúvislý.
Fyzická pamäť je rozdelená do blokov pevnej veľkosti, ktoré sa nazývajú rámce (frames). Veľkosť blokov je mocninou čísla 2. (512 bajtov, 1 KB, 2 KB, 4 KB až bajtov= 8 KB)
Logická pamäť je rozdelená na bloky rovnakej veľkosti, ktoré sa nazývajú stránky (pages)
Udržiava sa informácia o všetkých voľných rámcoch
Spustenie programu o veľkosti n stránok vyžaduje nájsť n voľných rámcov a zaviesť program do hlavnej pamäti
Nastavenie tabuľky stránok, aby sa dali prekladať logické adresy na fyzické

27. Schéma prekladu adries
Adresa generovaná procesorom je rozdelená na:
Číslo stránky (p) – sa používa ako index v tabuľke stránok. V tabuľke stránok sa nachádzajú odpovedajúce počiatočná adresa každej stránky vo fyzickej pamäti.
Posuv v rámci stránky (d) (offset)– kombinovaný s počiatočnou adresou stránky definuje fyzickú adresu, ktorá sa posiela do pamäťovej jednotky
Pre daný logický adresový priestor 2m a veľkosť stránky 2n
Číslo stránky
Posuv v stránke p d
m - n n

28. Princíp stránkovania logická adresa fyzická adresa fyzická pamäť
tabuľka stránok

29. Model stránkovania logickej a fyzickej pamäti
číslo
rámca
tabuľka stránok
logická pamäť
fyzická pamäť

30. 32-bajtová pamäť a 4-bajtové stránky
Príklad stránkovania
tabuľka stránok
logická pamäť
fyzická pamäť
32-bajtová pamäť a 4-bajtové stránky

31. Fyzická adresa = 205 x 4096 + 3803 = 843 483 Príklad na stránkovanie
Logická adresa má dĺžku 16 bitov
Fyzická adresa má dĺžku 20 bitov
Stránky a rámce majú veľkosť 4 KB
Tabuľka stránok obsahuje položky: 100, 205, 33, 27, I, I, I, ..., I
(I – značí neplatnú stránku)
Úloha: Určte p, d, f, pre logickú adresu a veľkosť pamäti používanej procesom
Riešenie:
Veľkosť stránky/rámca = 4 KB = 4096 bitov = 212 bitov => d ~ 12 bitov
LA ~ 16 bitov; d ~ 12 bitov => p ~ 4 bity
FA ~ 20 bitov; d ~ 12 bitov => f ~ 8 bitov
Položky TS: 100, 205, 33, 27, I, I, ... , I => proces používa 4 x 4KB= 16 KB pamäti
Logická adresa=
d= =380310
= => f = 205
p = d=
Fyzická adresa = 205 x =

32. Obrázok k príkladu na predchádzajúcej snímke
f = 205; d=
fyzická adresa:
205 x =
logická adresa: =
p = d=
p = 1
f = 205
fyzická pamäť
tabuľka stránok
fyzická adresa: 205 x = =

33. Voľné rámce: a) pred pridelením b) po pridelení
zoznam voľných rámcov
zoznam voľných rámcov
nový proces
nový proces
tabuľka stránok procesu
pred pridelením
po pridelení

34. Implementácia tabuľky stránok Hardvérová podpora stránkovania
Tabuľka stránok je uložená v hlavnej pamäti
Register tabuľky stránok (Page-table base register = PTBR) obsahuje adresu v pamäti, kde sa nachádza tabuľka stránok
Register dĺžky tabuľky stránok (Page-table length register PRLR) obsahuje informáciu o veľkosti tabuľky stránok
V tejto schéme každý prístup k dátam alebo inštrukcii vyžaduje 2 prístupy k pamäti. Jeden pre prístup k tabuľke stránok a jeden pre prístup k dátam resp. inštrukcii.
Dvojnásobný počet prístupov k pamäti môže byť riešený použitím špeciálnej rýchlej asociatívnej pamäti, ktorá sa nazýva asociatívna pamäť cache alebo translačné bufre: associative memory or translation look-aside buffers (TLBs)Bs store address-space identifiers (ASIDs) in each TLB entry – uniquely identifies each process to provide address-space protection for that process

35. Stránkovací hardvér s TLB
logická adresa
číslo stránky
číslo rámca
fyzická adresa
fyzická pamäť
tabuľka stránok

36. Ochrana pamäti Memory Protection
Ochrana pamäti sa uskutočňuje pomocou bitov, ktoré sú pripojené ku každému rámcu.
Bit Platná/Neplatná stránka je pripojený ku každej položke tabuľky stránok:
Platná (valid) – znamená, že stránka je v logickom adresnom priestore procesu a je teda platná
Neplatná (invalid) – znamená, že stránka nie je v logickom adresnom priestore procesu

37. Bit platná (v) alebo neplatná (i) v tabuľke stránok
v - platná
i - neplatná
číslo rámca
tabuľka stránok

38. 2-úrovňové stránkovanie
vonkajšia
tabuľka stránok
tabuľka stránok
pamäť

39. Príklad 2 – úrovňového stránkovania
Logická adresa (na 32-bitovom počítači s veľkosťou stránky 1 KB ) je rozdelená na:
Číslo stránky pozostáva z 22 bitov
Posuv v stránke pozostáva z 10 bitov
Keďže tabuľka stránok je stránkovaná , číslo stránky je ďalej rozdelené na:
Na 12-bitové číslo stránky
Na 10-bitový posuv v stránke (page offset)
Logická adresa má potom nasledujúci tvar: kde p1 je index do vonkajšej tabuľky stránok p2 je posuv v stránke vonkajšej tabuľky stránok
Číslo stránky
Posuv v stránke p1 p2 d 12 10 10

40. Prevod adries pre 2 – úrovňové stránkovanie
logická adresa
vonkajšia
tabuľka stránok
tabuľka
tabuľky stránok
požadovaná stránka

41. Segmentácia
Prístup k správe pamäti, ktorý podporuje používateľský pohľad na pamäť
Program je súbor segmentov. Segment je logická jednotka ako napríklad:
hlavný program,
procedúra,
funkcia,
metóda,
objekt,
lokálne premenné, globálne premenné,
blok common ,
zásobník (stack),
tabuľka symbolov, polia

42. Používateľský pohľad na program
zásobník
procedúra
Tabuľka symbolov
Funkcia sqrt
Hlavný program
Logický adresový priestor

43. Logický pohľad na segmentáciu1 4 2 3 1 2 3 4
Fyzická pamäť
Používateľský priestor

44. Architektúra segmentácie Segmentation Architecture
Logická adresa pozostáva z dvoch častí
<číslo segmentu, posuv v segmente>,
Tabuľka segmentov – mapuje dvojrozmerné fyzické adresy; každá tabuľka má 2 položky:
Začiatok (base) – obsahuje začiatočnú fyzickú adresu, kde je segment uložený v pamäti
Dĺžka (limit) – určuje dĺžku segmentu
Register začiatku tabuľky segmentov (Segment-table base register - STBR) – ukazuje na tabuľku segmentov
Register dĺžky tabuľky segmentov (Segment-table length register - STLR) – informuje o počte segmentov použitých programom;
číslo segmentu s je platné, ak s < STLR

45. Princíp segmentácie tabuľka segmentov Trap: chyba adresácie
Fyzická pamäť

46. Logický adresový priestor
Príklad segmentácie
procedúra
zásobník
Tabuľka
symbolov
Hlavný
program
Tabuľka segmentov
Logický adresový priestor
fyzická pamäť

47. Príklad: Intel Pentium
Podporuje segmentáciu aj segmentáciu so stránkovaním
CPU generuje logickú adresu
odovzdávanú segmentačnej jednotke,
ktorá vytvára lineárne adresy
Lineárna adresa je odovzdávaná do stránkovacej jednotky,
ktorá generuje fyzickú adresu v hlavnej pamäti
stránkovacie jednotky vytvárajú ekvivalent MMU

48. Preklad logickej adresy na fyzickú v Pentiu
adresa
lineárna
adresa
fyzická
adresa
segmentačná
jednotka
stránkovacia
jednotka
fyzická
pamäť
Číslo stránky
Posuv v stránke

49. Segmentácia v Intel Pentiu
logická adresa
Tabuľka deskriptorov
Deskriptor segmentu
32-bitová lineárna adresa

50. Stránkovacia architektúra Pentia

51. Fyzická adresa = 12000 + 3803 = 15803 Príklad na segmentáciu
Majme 4 segmenty (očíslované 0,1,2,3): HL_PROG, VELKE_POLE, MAT_FUNKCIE, ZASOBNIK s hodnotami TS ((l=300, b=10132), (4000, 12000), (500, 3324), (1400, 1450)).
Logická adresa má dĺžku 16 bitov; z toho s ~ 4 bity; d ~ 12 bitov
Úloha: Pre logickú adresu LA= určte s, d, a platnú fyzickú adresu FA.
Riešenie:
LA ~ 16 bitov; d ~ 12 bitov => s ~ 4 bity
Logická adresa= =
s = d=
Hodnoty v TS: ((l=300, b=10132), (4000, 12000), (500, 3324), (1400, 1450))
s = 1; d= => sme v segmente VELKE_POLE
d= < l=4000 => platná adresa,
Fyzická adresa = = 15803

52. Príklad: Princíp segmentácie Obrázok k príkladu na predchádzajúcej snímke
Fyzická adresa =
= 15803
dĺžka
začiatok
300
10132 1
4000
12000 2
500
3324 3
1400
1450
s = 1 
4000
tabuľka segmentov
Logická adresa= =
s = d=
d=  4000 d=
chyba adresácie
Fyzická pamäť

53. ÚLOHA: Vymenujte 2 rozdiely medzi logickou a fyzickou adresou
Odpoveď: 1.
Logická adresa neodkazuje na aktuálnu existujúcu adresu;
Odkazuje skôr na abstraktnú adresu v abstraktnom adresovom priestore.
Fyzická adresa odkazuje na aktuálnu fyzickú adresu v pamäti. 2.
Logická adresa je generovaná procesorom(CPU) a je preložená na fyzickú adresu pomocou jednotky správy pamäti (MMU).
T.j. fyzické adresy sú generované jednotkou správy pamäti.

54. Prediskutujte výhody a nevýhody takejto schémy. Odpoveď:
ÚLOHA: Uvažujte systém, v ktorom program môže byť rozdelený na 2 časti:
Kód programu a dáta.
Procesor (CPU) vie, či chce inštrukciu (instruction fetch) alebo dáta (data fetch or store). Preto musia existovať 2 páry bázových (relokačných) a limitných registrov: jeden pár pre inštrukcie a jeden pár pre dáta.
Pár registrov určený pre inštrukcie je automaticky typu read-only, takže programy môžu byť zdieľané rozdielnymi používateľmi.
Prediskutujte výhody a nevýhody takejto schémy.
Odpoveď:
Hlavná výhoda tejto schémy: je to efektívny mechanizmus na zdieľanie kódu a dát. Napríklad v pamäti je potrebné udržiavať len jednu kópiu editora alebo kompilátora a tento kód môže byť zdieľaný všetkými procesmi vyžadujúcimi prístup ku kódu editora a kompilátora.
Ďalšia výhoda je ochrana kódu pred chybnou modifikáciou.
Jedinou nevýhodou je, že kód a dáta musia byť oddelené, čo je zvyčajne dodržané v kóde generovanom kompilátorom.

55. ÚLOHA:
Uvažujte logický adresový priestor s 8-mi stránkami. Každá stránka má veľkosť 1024 slov. Tento priestor je mapovaný do fyzickej pamäti pozostávajúcej z 32 rámcov.
a) Určte z koľkých bitov pozostáva logická adresa
b) Určte z koľkých bitov pozostáva fyzická adresa
Odpoveď:
logická adresa má: 13 bitov
8 stránok × 1024 slov = ~
fyzická adresa má: 15 bitov
32 rámcov × 1024 slov = ~