Lageradministration Paging og segmentering

Transkript

1 Lageradministration Paging og segmentering 1

2 Re: Logiske/fysiske adresser... Proces-struktur = kode og data for en proces 4G En proces tilgår sin proces-struktur via et logisk/virtuelt adresserum, fx 0, 1,..., 4G OS administrerer placering af processtrukturer i det fysiske lager 0 OS og MMU administrerer oversættelse af logiske adresser til fysiske adresser 2

3 OS som virtuel maskine Hardwareresurser deles mellem programmer under afvikling, herunder lageret: Hvordan stilles et virtuelt lager til rådighed for hver proces? 3

4 Virtuel hukommelse (1) Virtuelt adresserum 4G 1G 0 Fysisk lager 0 Administration af afbildning: Programmør, bibliotek, OS, eller hardware? Overlays, segmenter eller paging? 4

5 Virtuel hukommelse (2) Målsætning For hver proces skabes en illusion af et stort lineært virtuelt lager... Relevante dele af det virtuelle adresserum afspejles automatisk og transparent i det fysiske lager OS og MMU oversætter virtuelle adresser til fysiske adresser 4G 0 4G 0 4G 0 5

6 Paging Det virtuelle adresserum opdeles i pages med fast størrelse... Fysisk lager opdeles i page frames af samme størrelse... Pages indlæses i page frames... OS og MMU skal administrere en effektiv oversættelse mellem virtuelle og fysiske adresser... 6

7 Adresseoversættelse LD AC, 0 LD AC, 8192 LD AC, 8192 LD AC, LD AC, LD AC, LD AC, Page fault Virtuel_adresse = page pagesize + offset Fysisk_adresse = pageframe pagesize + offset page = va div pagesize offset = va mod pagesize 7

8 Paging og adresseformater Page No. Address map Frame No. Adresseoversættelse: Virtuel adresse: va = (p,w) Fysisk adresse: pa = (f,w) Virtual memory Physical memory p f w antal pages i VM, 2 p antal frames i PM, 2 f page/frame size, 2 w 8

9 Adresseoversættelse med frame-tabel En global frame-tabel FT angiver for hver page frame hvilken proces der ejer den og hvilket page-nummer det er for den proces Hvis FT[f]=(ID,p) er frame f ejet af proces ID som page nummer p. Omregning: address_map(id, p, w) { pa = UNDEF; for (f=0; f<f; f++) if (FT[f].ID==ID && FT[f].page==p) { pa = (f+w); return pa; } return pa; } 9

10 [Click] Hvorfor er dette helt tosset? Eller er det? A. Det virker ikke hvis to processer bruger samme virtuelle adresse B. Det kører alt for langsomt C. Det tager alt for meget plads D. Ved ikke 10

11 Adresseoversættelse med page-tabel En page-tabel PT er tilknyttet til hvert virtuelt adresserum; PT for den kørende proces angives af et register PTR PT[p] er frame som side p er indlæst i, hvis indlæst... Givet (p,w) slås op i den aktuelle page-tabel: address_map(p, w) { pa = *(PTR+p)+w; } return pa; 11

12 Adresseoversættelse med page-tabel En page-tabel PT er tilknyttet til hvert virtuelt adresserum; PT for den kørende proces angives af et register PTR PT[p] er frame som side p er indlæst i, hvis indlæst... Givet (p,w) slås op i den aktuelle page-tabel: address_map(p, w) { pa = *(PTR+p)+w; } return pa; Effektivt, men bruger meget plads... 11

13 [Q/A] Hvorfor skal PTR være et register? 12

14 Page-tabel og effektivitet Problem: Hvert opslag i page-tabellen skal være effektivt Løsning: Gem data i det hurtigst mulige lager:... i MMU'en og specialiseret cache... så selve tabellerne i kernen kun sjældent læses 13

15 MMU og mini-page-tabel Virtuel_adresse = page pagesize + offset Fysisk_adresse = frame pagesize + offset page = va div pagesize offset = va mod pagesize 14

16 Translation Lookaside Buffers Pagetabellen lagres i OS-delen af det fysiske lager men udvalgte dele gemmes i et hurtigere associativt lager 15

17 Translation Lookaside Buffers Pagetabellen lagres i OS-delen af det fysiske lager men udvalgte dele gemmes i et hurtigere associativt lager Hurtig adgang til de senest brugte indgange i page-tabel 15

18 Page-tabel og plads Problem: Pagetabellen kan blive stor... et 2 32 =4 GB lager, opdeles i 2 20 = KB sider... altså indgange, fylder mindst 4 MB... per proces! Løsning: Niveaudeling, med mulighed for at lade dele være udefinerede, plus cache 16

19 Page-tabel i flere niveauer (1) 4GB opdeles i 2 10 page-tabeller, som hver har KB pages 4096M Virtuelt adresserum 0M 17

20 Page-tabel i flere niveauer (1) 4GB opdeles i 2 10 page-tabeller, som hver har KB pages 4096M Virtuelt adresserum NB: undgå at gemme tomme niveau 2 tabeller i fysisk lager... 0M 17

21 Page-tabel i flere niveauer (2) 4GB opdeles i 2 10 page-tabeller, som hver har KB pages Paging af page-tabeller: Hver tabel fylder 4KB, så den kan være på en enkelt side Top-level page-tabel fastholdes i OS-delen af fysisk lager, mens second-level tabeller pages ind efter behov 4096M 0M Virtuelt adresserum 18

22 Placering af sider i fysisk lager Statisk: Page-tabellen initialiseres ved programstart; giver en statisk indlejring af dele af stort virtuelt adresserum... Dynamisk Demand Paging: Sider skabes/indlæses efter behov; hvis der spørges efter en side der ikke p.t. er i lageret fås en page fault... address_map(p, w) { if (resident(*(ptr+p))) { } pa = *(PTR+p)+w; return pa; } else page_fault; 19

23 Placering af sider i fysisk lager Statisk: Page-tabellen initialiseres ved programstart; giver en statisk indlejring af dele af stort virtuelt adresserum... Dynamisk Demand Paging: Sider skabes/indlæses efter behov; hvis der spørges efter en side der ikke p.t. er i lageret fås en page fault... address_map(p, w) { if (resident(*(ptr+p))) { pa = *(PTR+p)+w; return pa; } else page_fault; } Hvad sker der ved et page fault...? 19

24 Håndtering af page fault LD AC, Page fault MMU laver trap til OS Gem processens tilstand Bestem page der ønskes Find ledig pageframe Indlæs ønsket page fra disk Opdater pagetabel Proces kan køre igen 20

25 Håndtering af page fault LD AC, Page fault MMU laver trap til OS Gem processens tilstand Bestem page der ønskes Find ledig pageframe Ingen ledig frame Indlæs ønsket page fra disk Opdater pagetabel Proces kan køre igen 20

26 Håndtering af page fault LD AC, Page fault MMU laver trap til OS Gem processens tilstand Bestem page der ønskes Find ledig pageframe Indlæs ønsket page fra disk Opdater pagetabel Ingen ledig frame Bestem page der skal ud Skriv denne page til disk Proces kan køre igen 20

27 spørgsmål omkring virtual memory? 21

28 Page replacement algoritmer Skal vælge en page uden at kende fremtiden... Global replacement Betragter alle sider i lageret - Optimal (MIN) - Random - First-In/First-Out (FIFO) - Least recently used (LRU) - Second-chance - Third-chance... Local replacement Betragter kun sider for den aktuelle proces - Optimal (VMIN) - Working set replacement... 22

29 Page replacement algoritmer Skal vælge en page uden at kende fremtiden... Global replacement Betragter alle sider i lageret - Optimal (MIN) - Random - First-In/First-Out (FIFO) - Least recently used (LRU) - Second-chance - Third-chance... Local replacement Betragter kun sider for den aktuelle proces - Optimal (VMIN) - Working set replacement hvis working set kan være i fysisk lager så ok, ellers thrashing... 22

30 Page replacement, eksempel (1) Optimal (MIN): Fjern side som tilgås om længst tid... Time t RS c a d b e b a b c d Frame 0 a a a a a a a a a a d Frame 1 b b b b b b b b b b b Frame 2 c c c c c c c c c c c Frame 3 d d d d d e e e e e d IN e d OUT d a... bruges som reference ved analyse af andre algoritmer... 23

31 Page replacement, eksempel (1) Optimal (MIN): Fjern side som tilgås om længst tid... Time t RS c a d b e b a b c d Frame 0 a a a a a a a a a a d Frame 1 b b b b b b b b b b b Frame 2 c c c c c c c c c c c Frame 3 d d d d d e e e e e d IN e d OUT d a... bruges som reference ved analyse af andre algoritmer... Problem: Reference sekvens er ukendt... 23

32 Page replacement, eksempel (2) FIFO: Fjern den ældste side, meget simpel... Time t RS c a d b e b a b c d Frame 0 >a >a >a >a >a e e e e >e d Frame 1 b b b b b >b >b a a a >a Frame 2 c c c c c c c >c b b b Frame 3 d d d d d d d d >d c c IN e a b c d OUT a b c d e 24

33 Page replacement, eksempel (2) FIFO: Fjern den ældste side, meget simpel... Time t RS c a d b e b a b c d Frame 0 >a >a >a >a >a e e e e >e d Frame 1 b b b b b >b >b a a a >a Frame 2 c c c c c c c >c b b b Frame 3 d d d d d d d d >d c c IN e a b c d OUT a b c d e Problem: tager ikke hensyn til hvis gamle sider bruges... 24

34 Page replacement, eksempel (3) LRU: Fjern den side som er brugt for længst tid siden... Time t RS c a d b e b a b c d Frame 0 a a a a a a a a a a d Frame 1 b b b b b b b b b b b Frame 2 c c c c c e e e e e d Frame 3 d d d d d d d d d c c IN e c d OUT c d e Q.end d c a d b e b a b c d c d c a d b e b a b c b b d c a d d e e a b Q.head a a b b c a a d d e a 25

35 Page replacement, eksempel (4) VMIN: Fjern side som ikke skal bruges i 'vinduet' (3)... Time t RS d c c d b c e c e a d Page a Page b Page c Page d Page e IN c b e a d OUT d b c e a Problem: Reference sekvens er ukendt... 26

36 Page replacement, eksempel (5) WS: Fjern side som ikke er brugt i 'vinduet' (-3).. Time t RS a c c d b c e c e a d Page a Page b Page c Page d Page e IN c b e a d OUT e a d b 27

37 Page replacement, eksempel (5) WS: Fjern side som ikke er brugt i 'vinduet' (-3).. Time t RS a c c d b c e c e a d Page a Page b Page c Page d Page e IN c b e a d OUT e a d b Problem: Vanskelig at implementere effektivt... 27

38 [Click] (WS) Og hvorfor var det lige vi havde + og her? A. Fordi + angiver at en side bliver allokeret og at en side bliver frigivet B. Fordi det er ligegyldigt hvilke frames der er tale om C. Fordi + angiver at en frame bliver allokeret og at en frame bliver frigivet D. Ved ikke 28

39 [Click] (WS) Og hvorfor var det lige vi havde + og her? Time t RS a c c d b c e c e a d Page a Page b Page c Page d Page e IN c b e a d OUT e a d b A. Fordi + angiver at en side bliver allokeret og at en side bliver frigivet B. Fordi det er ligegyldigt hvilke frames der er tale om C. Fordi + angiver at en frame bliver allokeret og at en frame bliver frigivet D. Ved ikke 28

40 spørgsmål omkring page replacement? 29

41 Lageret er måske stort, men... Problem: Placering og beskyttelse af uafhængige data i et stort lager Løsning: Eksplicit opdeling af lageret i områder: Segmenter... jvf. JVM's lager: (constant pool, 12), (stack, 24),... 30

42 Segmentering (1) Opdeling af lageret i uafhængige adresserum, segmenter: Virtuel_adresse = (segmentnummer, offset) = (s,w) OS administrerer placering af segmenter i lageret 31

43 Segmentering (2) Et segment er en sammenhængende blok i det fysiske lager... En segment-tabel udpeger startadresse for de enkelte segmenter. Den aktuelle segmenttabel udpeges af et register STR... Adresseoversættelse: address_map(s, w) { if (resident(*(str+s))) { pa = *(STR+s)+w; return pa; } else segment_fault; } 32

44 Segmentering (2) Et segment er en sammenhængende blok i det fysiske lager... En segment-tabel udpeger startadresse for de enkelte segmenter. Den aktuelle segmenttabel udpeges af et register STR... Adresseoversættelse: address_map(s, w) { if (resident(*(str+s))) { pa = *(STR+s)+w; return pa; } else segment_fault; } Ekstern fragmentering 32

45 Segmentering med paging Hvert segment opdeles i sider... Virtuel adresse: va = (s,p,w) Fysisk adresse: pa = *(*(STR+s)+p)+w s p w antal segmenter antal pages pr. segment sidestørrelsen 33

46 Segmentering med paging Hvert segment opdeles i sider... Virtuel adresse: va = (s,p,w) Fysisk adresse: pa = *(*(STR+s)+p)+w s p w antal segmenter antal pages pr. segment sidestørrelsen To tabelopslag ved adresseoversættelse... 33

47 Store segment- og page-tabeller Tabellerne kan blive ret store Opdel ST/PT i pages Hold styr på disse via en ekstra page-tabel Fx paging af segment-tabel Opdel segment-tabel i sider Segment directory udpeger ST pages va = (s1,s2,p,w) pa = *(*(*(STR+s1)+s2)+p)+w 34

48 Store segment- og page-tabeller Tabellerne kan blive ret store Opdel ST/PT i pages Hold styr på disse via en ekstra page-tabel Fx paging af segment-tabel Opdel segment-tabel i sider Segment directory udpeger ST pages va = (s1,s2,p,w) pa = *(*(*(STR+s1)+s2)+p)+w 3 tabelopslag ved adresseoversættelse... 34

49 Resume - Paging og segmentering 35

50 spørgsmål omkring segmentering? 36

51 Deling af lager mellem processer (1) Hvorfor? (1) reduceret lagerforbrug, (2) interproces-kommunikation Kan f.eks. gøres vha. relokerings-registre... 37

52 Deling af lager mellem processer (1) Hvorfor? (1) reduceret lagerforbrug, (2) interproces-kommunikation Kan f.eks. gøres vha. relokerings-registre... Vigtigt: Programkode må ikke modificeres under afvikling... 37

53 Deling af lager mellem processer (2) Hvorfor? (1) reduceret lagerforbrug, (2) interproces-kommunikation Eller ved at flere page-tabeller udpeger samme page-frame... 38

54 Deling af lager mellem processer (2) Hvorfor? (1) reduceret lagerforbrug, (2) interproces-kommunikation Eller ved at flere page-tabeller udpeger samme page-frame... Tidskrævende når en delt side swappes ud af lageret... 38

55 Opsummering Virtuel hukommelse Virtuelle vs. fysiske adr., paging, page/frame tables MMU, TLB, page faults Page replacement algoritmer Globale/lokale alg., MIN, FIFO, LRU, VMIN, WS Segmentering Segmenter, segmenter med paging Deling af lager Pas på pointere fra delt område 39

56 Opsummering Virtuel hukommelse Virtuelle vs. fysiske adr., paging, page/frame tables MMU, TLB, page faults Page replacement algoritmer Globale/lokale alg., MIN, FIFO, LRU, VMIN, WS Segmentering Segmenter, segmenter med paging Deling af lager Pas på pointere fra delt område... samspil mellem hardware (MMU) og software (OS)... 39