Lageret i maskinarkitekturen. Beregningsenhed, lagre (registre, RAM, disk), ydre enheder

Transkript

1 Lageradministration

2 Lageret i maskinarkitekturen Beregningsenhed, lagre (registre, RAM, disk), ydre enheder

3 Abstraktion over typerne: et hierarki En maskine har fl ere forskellige lagre Operativsystemet administrerer lagerresurserne

4 RAM lageret: Et fl adt array! Celler med adresser 0, 1,..., n-1, som hver lagrer et antal bit Adresserummet størrelse bestemmes af adressebussens bredde... med 32 bit kan 4 G celler adresseres... Pointe idag: At lægge mere struktur på dette fl ade array

5 Simpel anvendelse af lageret... operativsystemet og program og data...

6 Proces-struktur (Process Image) En proces er et program under afvikling... 0xFFFF fetch-decode-execute Proces-struktur = kode og data Kode og data bruger adresser, og de skal fortolkes... 0 movl %eax,24282 jmp 146 // // M[ ]=eax Hop til adr. 146 OS skal administrere processernes fortolkning af adresser

7 Programudvikling og -afvikling Oversættelse, linking, indlæsning, og afvikling: 0xFFFF 0 Programmer skrives og oversættes under antagelse af et logisk adresserum (ofte: en bestemt placering i lageret)

8 Bindingstidspunkt Hvornår bindes lagerreferencer til fysiske adresser, eller hvornår skiftes fra et logisk adresserum til det fysiske adresserum... Statisk Når programmet skrives Når programmet oversættes Når programmet linkes Når programmet indlæses Dynamisk Når programmet afvikles... i samspil med operativsystemets ''memory manager''...

9 Linking: Objektmodul main index: 0 calc index: 1 method area: 32 bytes b ac b6???? ac constant e a pool: 3 words [.method main] [.method calc] [ldc_w constant] external symbols:.method imul [ 24: invokevirtual imul ] relocation dictionary: [10: invokevirtual] [27: ldc_w]

10 Linking: Resultat main.obj imul.obj main index: 0 calc index: 1 method area: 32 bytes b ac b6???? ac constant pool: 3 words [.method main] e [.method calc] a [ldc_w constant] external symbols:.method imul [ 24: invokevirtual imul ] imul index: 1 method area: 34 bytes a7 ff ed ac constant pool: 2 words [ldc_w constant] [.method imul] Linker Indlæsemodul Antager placering fra adresse 0... main index: 1 method area: 66 bytes ac ac constant pool: 4 words [.method imul] [.method main] [.method calc] a [ldc_w constant] b a7 b ff ed ac 03 all.bc

11 Statisk binding af adresser Binding til fysiske adresser sker ved indlæsning; ved oversættelse og linking arbejdes med et logisk adresserum...

12 spørgsmål omkring logiske og fysiske adresser?

13 Mono/Multi-programmering Monoprogrammering - En proces i lageret ad gangen - Statisk binding af adresser er fi nt... Multiprogrammering - Flere processer i lageret samtidigt - Kan statisk binding af adresser anvendes? OS skal administrere processer i lageret, hvordan?

14 Statisk opdeling af lageret (1) OS opdeler lageret i fastlagte områder Fordele: Nemt at implementere. Programmer (kan) skrives til indlæsning i bestemt områder, dvs. med statisk binding...

15 Statisk opdeling af lageret (2) OS opdeler lageret i fastlagte områder Ulemper: Unødig begrænsning på størrelse af procestilstande samt dårlig udnyttelse af lager pga. intern fragmentering...

16 Dynamisk opdeling af lageret OS indlæser procestilstande i dynamisk bestemte områder... mere fl eksibel udnyttelse af lageret, men sværere... (1) Hvor og hvordan skal processtrukturer placeres i lageret? (2) Kan programmet antage en fast placering?

17 Dynamisk binding af adresser (1)... logisk adresse skal bindes til fysisk adresse ved afvikling... Logisk adresse OS og HW For hver reference til lageret med en logisk adresse udføres: fysisk_adresse = address_map(logisk_adresse)

18 Dynamisk binding af adresser (2) En simpel form for dynamisk binding via et relokerings-register For hver reference til lageret med en logisk adresse udføres: fysisk_adresse = logisk_adresse + RR... RR for en proces gemmes i procestabellen...

19 Dynamisk binding af adresser (3) 0xFFFF 0x2FFFF 0 0x logisk adresse skal bindes til fysisk adresse ved afvikling... movl %eax,24282 oversættes til movl %eax, x20000

20 Indskud: Memory Management Unit MMU oversætter logiske adresser til fysiske adresser... OS sikrer at oversættelse sker jvf. kørende proces...

21 Dynamisk opdeling af lageret (igen) OS indlæser procestilstande i dynamisk bestemte områder... mere fl eksibel udnyttelse af lageret, men sværere... (1) Hvor og hvordan skal procestilstande placeres i lageret? (2) Programmet kan ikke antage en fast placering?

22 spørgsmål omkring dynamisk binding af adresser?

23 Placering af proces-strukturer Maksimer udnyttelse af lager, minimer ekstern fragmentering... (1) Administration af ledig plads (2) Strategi for allokering af plads

24 Administration af ledig plads (1) Kædet liste af huller Liste-strukturen vedligeholdes i lageret... 'Coalescing': Nabo-huller skal smeltes samme ved deallokering...

25 Administration af ledig plads (2) Bitmap af huller Hver bit repræsenterer et blok lager, f.eks bytes ledig blok = følge af nuller Ved 1024 bytes pr. bit så fylder bitmap for X bytes X/8192 bytes... bemærk at der ikke er behov for coalescing... Bemærk også at der er mange tricks omkring søgning...

26 Administration af ledig plads (3) Buddy-systemet 2m plads opdeles i 2k-blokke, k = 0..m Array (H) giver liste pr. blokstørrelse Buddies: kun sidste bit forskellig Allokering: OK Frigivelse: langsom Tilføj bitmaps

27 Allokering af lager Problem: Skal allokere n bytes, fi nd hul n Placeringsalgoritmer First-fit: Vælg det første hul der passer. Meget simpel. Next-fit: Som First-fit, men forsæt forrige søgning istedet for at starte forfra. Man opnår en bedre fordeling af huller. Best-fit: Vælg det mindste hul der passer. Man undgår at store huller brydes. Worst-fit: Vælg det største hul der passer. Man undgår at lave mange små huller.

28 Allokering af lager Problem: Skal allokere n bytes, fi nd hul n Placeringsalgoritmer First-fit: Vælg det første hul der passer. Meget simpel. Next-fit: Som First-fit, men forsæt forrige søgning istedet for at starte forfra. Man opnår en bedre fordeling af huller. Best-fit: Vælg det mindste hul der passer. Man undgår at store huller brydes. Worst-fit: Vælg det største hul der passer. Man undgår at lave mange små huller.... simuleringer har vist at First-fi t er bedst, og Best-fi t værst...

29 a: 0 huller b: hul th. c: hul tv. d: 2 huller n: # huller m: # blokke p: Pinexact-fi t The 50% Rule n = (2d+b+c)/2 = d+b - tæl hullerne to gange a/m Prelease = (1-p)Prequest + d/m Prelease - ligevægt Prelease = Prequest = Pr - ligevægt igen heraf a/m = (1-p) + d/m så a = (1-p)m + d så m = a+b+c+d = d+(1-p)m+b+c+d = (1-p)m+2n så n = 0.5 pm

30 Minimering af ekstern fragmentering Hvis der ikke kan allokeres den ønskede plads, så kan det skyldes ekstern fragmentering... Compaction En global omarrangering af huller. Tidskrævende...

31 Flere processer, mere lager... Problem Alle processer er i det fysiske lager samtidigt, så antallet af mulige processer begrænses af lagerets fysiske størrelse Hvis der ikke kan allokeres den ønskede plads, så kan det skyldes at for mange processer er i lageret samtidigt Mulig løsning Udnyt diskplads til lagring af proces-strukturer

32 Swapping Disk A B C D E Processtrukturer indlæses efter behov. OS administrerer placering... skal undgå fragmentering af lageret placering-algoritme: fi rst-fi t, next-fi t, best-fi t, worst-fi t,...

33 Store processer, mere lager... Problem Processens størrelse begrænses af lagerets fysiske størrelse... processens logiske adresserum begrænses af det fysiske lager... Løsning Overlays (eller virtuelt lager) på disken: Indlæs dele i det fysiske lager efter behov... udnyt hele maskinens adresserum...

34 Overlays Krav: kode i forskellige overlays samme sted ikke i brug samtidigt. Simpel teknik: Udfold stakken. Problem: alt for lavt niveau.

35 Lynkig: Virtuelt lager for en proces Virtuelt lager 4G Fysisk lager 1G 0 0 Administration af afbildning... Programmør eller OS? Overlays eller paging?

36 Lynkig: Paging Virtuelt lager opdeles pages med fast størrelse... Fysisk lager opdeles i page frames af samme størrelse... Pages indlæses i page frames... OS og MMU skal administrerer en effektiv oversættelse mellem virtuelle og fysiske adresser...

37 Opsummering Et program tilgår sin procestilstand via et logisk adresserum (compiler/linker). OS administrerer placering af processer i det fysiske lager. Compiler/linker/loader/OS/MMU oversætter logiske adresser til fysiske adresser Fri plads administreres via???-fi t osv, samt compaction Overlays og swapping udvider lageret m. diskplads (overlays => stort pgm.) 0xFFFF 0