Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 1
1Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
El subsistema de Memoria
Departament d’Informàtica de Sistemes i ComputadorsE.P.S.Alcoi
2Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Bloque Temático II: Arquitectura de Computadores
Tema 3: Introducción a la arquitectura de un computadorTema 4: Procesadores segmentadosTema 5: El subsistema de memoriaTema 6: El subsistema de Entrada/SalidaTema 7: Computadores SuperescalaresTema 8: Multiprocesadores
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 2
3Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Gestión de la memoriaMemoria Virtual
Gestión de la Memoria
4Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Subdivisión de la memoria para hacer sitio a varios procesos. Hace falta repartir eficientemente la memoria para introducir tantos procesos como sea posible.
Gestión de la Memoria
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 3
5Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Requisitos de la gestión de memoria
Reubicación:• El programador no conoce qué otros programas
residirán en la memoria en el momento de la ejecución.
• Mientras que se está ejecutando el programa, puede que se descargue en el disco y que vuelva a la memoria principal, pero en una ubicación distinta a la anterior (reubicación).
• Se deben traducir las referencias a la memoria encontradas en el código del programa a las direcciones físicas reales.
6Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Direccionesascendentes
Informaciónde controldel proceso
Punto de entrada
al programa
Cima actualde pila
Instrucciónde bifurcación
Referencia de datos
Bloque de control de proceso
Programa
Datos
Pila
Figura 7.1. Requisitos de dirección para un proceso.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 4
7Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Requisitos de la gestión de memoria
Protección:• El código de un proceso no puede hacer
referencia a posiciones de memoria de otros procesos sin permiso.
• Es imposible comprobar las direcciones absolutas de los programas, puesto que se desconoce la ubicación de un programa en la memoria principal.
• Debe comprobarse durante la ejecución:# El sistema operativo no puede anticiparse a todas
las referencias a la memoria que hará un programa.
8Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Requisitos de la gestión de memoria
Compartimiento:• Permite el acceso de varios procesos a la misma
zona de la memoria principal. • Es mejor permitir a cada proceso (persona) que
acceda a la misma copia del programa, en lugar de tener cada uno su propia copia aparte.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 5
9Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Requisitos de la gestión de memoria
Organización lógica:• La mayoría de los programas se organizan en
módulos.• Los módulos pueden escribirse y compilarse
independientemente.• Pueden otorgarse distintos grados de protección
(sólo lectura, sólo ejecución) a los módulos.• Compartir módulos.
10Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Requisitos de la gestión de memoria
Organización física:• La memoria disponible para un programa y sus
datos puede ser insuficiente:# La superposición permite que varios módulos sean
asignados a la misma región de memoria.• El programador no conoce cuánto espacio habrá
disponible.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 6
11Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Particiones estáticas
Particiones de igual tamaño:• Cualquier proceso cuyo tamaño sea menor o igual
que el tamaño de la partición puede cargarse en cualquier partición libre.
• Si todas las particiones están ocupadas, el sistema operativo puede sacar un proceso de una partición.
• Un programa puede que no se ajuste a una partición. El programador debe diseñar el programa mediante superposiciones.
12Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Particiones estáticas
El uso de la memoria principal es ineficiente. Cualquier programa, sin importar lo pequeño que sea, ocupará una partición completa. Este fenómeno se denomina fragmentación interna.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 7
13Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Sistema operativo8M
Sistema operativo8M
(a) Particiones de igual tamaño
(a) Particiones de distinto tamaño
Figura 7.2. Ejemplo de partición estática en una memoria de 64Mb.
8M
8M
8M
8M
8M
8M
8M
2M4M
6M
8M
8M
12M
16M
14Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Algoritmo de ubicación con particiones
Particiones de igual tamaño:• Puesto que todas las particiones son de igual
tamaño, no importa la partición que se use.Particiones de distintos tamaños:• Pueden asignar cada proceso a la partición más
pequeña en la que quepa. • Hace falta una cola para cada partición.• Los procesos están asignados de forma que se
minimiza la memoria desaprovechada dentro de cada partición (se minimiza la fragmentacióninterna)
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 8
15Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Sistemaoperativo
Sistemaoperativo
Procesosnuevos
Procesosnuevos
(a) Una cola de procesos por partición (b) Cola única de procesos
Figura 7.3. Asignación de memoria en partición estática.
16Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Particiones dinámicas
Las particiones son variables en número y longitud. Al proceso se le asigna exactamente tanta memoria como necesite. Finalmente, hay varios huecos en la memoria. Este fenómeno se denomina fragmentación externa. Se debe usar la compactación para desplazar los procesos que estén contiguos, de forma que toda la memoria libre quede junta en un bloque.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 9
17Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Sistemaoperativo
Sistemaoperativo
Sistemaoperativo
Sistemaoperativo
Proceso 1 Proceso 1Proceso 1
Proceso 2 Proceso 2
Proceso 3
Figura 7.4. Efectos de la partición dinámica.
8M
56M
20M 20M 20M
36M
14M 14M
22M 18M
4M
(a) (b) (c) (d)
18Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Figura 7.4. Efectos de la partición dinámica.
Sistemaoperativo
Sistemaoperativo
Sistemaoperativo
Sistemaoperativo
Proceso 1 Proceso 1
Proceso 3 Proceso 3Proceso 3Proceso 3
Proceso 4 Proceso 4Proceso 4
Proceso 220M20M 20M
14M
18M
4M
8M
6M
18M
4M 4M
18M
6M
8M 8M
6M
6M
18M
14M
4M
(e) (f) (g) (h)
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 10
19Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Algoritmo de ubicación con particiones dinámicas
El sistema operativo debe decidir qué bloque libre se tiene que asignar al proceso. Algoritmo del mejor ajuste (best-fit):• Elige el bloque de tamaño más próximo al solicitado. • Proporciona en general los peores resultados. • Puesto que este algoritmo busca el hueco más
pequeño para el proceso, garantiza que el fragmento que se deja es lo más pequeño posible y, por lo tanto, se debe compactar más frecuentemente.
20Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Algoritmo de ubicación con particiones dinámicas
Algoritmo del primer ajuste (first-fit):• Es más rápido.• Normalmente habrá varios procesos cargados en el
extremo inicial de la memoria, que será necesario recorrer cuando se intente encontrar un bloque libre (el puntero en memoria queda en la posición en la que se ha ubicado el último bloque en memoria por lo que, en el algoritmo first-fit, hay que volver a recorrer la memoria desde el inicio).
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 11
21Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Algoritmo de ubicación con particiones dinámicas
Algoritmo del siguiente ajuste (next-fit):• Lleva frecuentemente a la asignación de un
bloque de memoria de la última ubicación, donde se encuentra el bloque más grande.
• El bloque de memoria más grande se divide en fragmentos pequeños.
• Hará falta la compactación para obtener un bloque de memoria grande al final del espacio de memoria.
22Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Último bloque asignado (14K)
Primer ajuste
Mejor ajuste
Bloque asignado
Bloque libre
Siguiente ajuste
(a) Antes (b) Después
Figura 7.5. Ejemplo de una configuración de memoria antes y después de asignar un bloque de 16 Mbytes.
8M 8M
12M 12M
22M
18M
8M 8M
6M 6M
6M
2M
14M
36M
14M
20M
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 12
23Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Sistema de colegas
El espacio entero disponible para la asignación se trata como un solo bloque de tamaño 2U
Si se hace una solicitud de tamaño s tal que 2U-1 < s <= 2U, entonces el bloque entero se asigna:• En otro caso, el bloque se divide en dos colegas de igual
tamaño. • Este proceso continúa hasta que el bloque más pequeño sea
mayor o igual que s.
24Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
1 bloque de 1 megabyte
Solicitud de 100K
Solicitud de 240K
Solicitud de 64K
Solicitud de 256K
Solicitud de 75K
Liberación de B
Liberación de A
Liberación de C
Liberación de E
Liberación de D
Figura 7.6. Ejemplo del sistema de colegas.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 13
25Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Figura 7.7. Representación en árbol del sistema de colegas.
26Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Reubicación
Cuando el proceso se carga en la memoria, se determina la ubicación real (absoluta) de la memoria. Un proceso puede ocupar diferentes particiones, lo que significa diferentes posiciones absolutas de la memoria durante su ejecución (a partir de la carga). La compactación también hará que un programa ocupe una partición distinta, lo que significa que las ubicaciones absolutas de la memoria cambien.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 14
27Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Direcciones
Dirección lógica:• Es una referencia a una posición de memoria
independiente de la asignación actual de datos a la memoria.
• Se debe hacer una traducción a una dirección física. Dirección relativa:• La dirección se expresa como una posición relativa a
algún punto conocido. Dirección física:• La dirección absoluta o la posición real en la memoria
principal.
28Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Dirección relativa
Direcciónabsoluta
Interrupción al sistema operativo
Registro base
Registro límite
Sumador
Comparador
Programa
Datos
Pila
Bloque de control de proceso
Imagen de un procesoen la memoria
principal
Figura 7.8. Soporte de hardware para la reubicación.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 15
29Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Registros utilizados durante la ejecución
Registro base:• Se carga con la dirección en la memoria principal
del proceso.Registro límite:• Indica la posición final del programa.
Estos valores deben asignarse cuando se carga el programa y cuando se carga el proceso.
30Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Registros utilizados durante la ejecución
Se añade el valor del registro base a la dirección relativa para obtener una dirección absoluta. La dirección obtenida se compara con el valor del registro límite. Si la dirección no está dentro de los límites, se generará una interrupción en el sistema operativo.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 16
31Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Paginación
La memoria principal se encuentra dividida en trozos iguales de tamaño fijo y cada proceso en pequeños trozos de tamaño fijo. Los trozos del proceso se denominan páginas y los trozos libres de memoria se denominan marcos. El sistema operativo mantiene una tabla de páginas para cada proceso:• Muestra la posición del marco de cada página del
proceso. • La dirección de la memoria consta de un número de
página y de un desplazamiento dentro de la página.
32Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Memoria principal Memoria principal Memoria principalNúmero de marco
(a) Quince marcos libres (b) Carga del proceso A (c) Carga del proceso B
Figura 7.9. Asignación de páginas de procesos a marcos libres.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 17
33Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Memoria principal Memoria principalMemoria principal
(d) Carga del proceso C (e) Descarga del proceso B (f) Carga del proceso D
Figura 7.9. Asignación de páginas de procesos a marcos libres.
34Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Tablas de páginas
Tabla de páginas delproceso A
Tabla de páginas delproceso B
Tabla de páginas delproceso C
Tabla de páginas delproceso D
Lista demarcoslibres
Figura 7.10. Estructuras de datos para el ejemplo de la Figura 7.9 en el instante de tiempo (f).
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 18
35Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Segmentación
No es necesario que todos los segmentos de todos los programas tengan la misma longitud. Existe una longitud máxima de segmento.Un dirección lógica segmentada consta de dos partes, un número de segmento y un desplazamiento.Como consecuencia del empleo de segmentos de distinto tamaño, la segmentación resulta similar a la partición dinámica.
36Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Gestión de la memoriaMemoria Virtual
Gestión de la Memoria
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 19
37Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Todas las referencias a la memoria se traducirán dinámicamente a direcciones físicas durante la ejecución: • Un proceso puede cargarse y descargarse de la
memoria principal de tal forma que ocupe regiones diferentes.
Un proceso puede dividirse en varias partes y no es necesario que estas partes se encuentren contiguas en la memoria principal durante la ejecución: • No será necesario que todas las páginas o todos los
segmentos de un proceso estén en la memoria durante la ejecución.
Estructuras de hardware y de control
38Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
El sistema operativo comienza trayendo sólo unos pocos fragmentos del programa. El conjunto residente es la parte de un proceso que está realmente en la memoria principal. Si el procesador encuentra una dirección lógica que no está en la memoria principal, genera una interrupción que indica un fallo de acceso a la memoria. El sistema operativo pone al proceso interrumpido en estado Bloqueado.
Ejecución de un programa
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 20
39Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
El sistema operativo necesita traer a la memoria principal el fragmento del proceso que contiene la dirección lógica que provocó el fallo de acceso:• El sistema operativo emite una solicitud de Lectura
de E/S al disco. • El sistema operativo puede expedir otro proceso
para que se ejecute mientras realiza la operación de E/S.
• Una vez que el fragmento deseado se ha traído a la memoria principal y se ha emitido la interrupción de E/S, se devuelve el control al sistema operativo, que coloca el proceso afectado en el estado de Listo.
Ejecución de un programa
40Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Se pueden mantener más procesos en la memoria principal: • Se cargan sólo algunos fragmentos de un
proceso particular. • Con tantos procesos en la memoria principal es
muy probable que uno de los procesos esté en estado Listo en un instante determinado.
Es posible que un proceso sea más grande que toda la memoria principal.
Ventajas de dividir un proceso
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 21
41Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Memoria real:• Memoria principal.
Memoria virtual:• Memoria situada en el disco.• Permite una multiprogramación muy efectiva y
releva al usuario de las rígidas e innecesarias restricciones de la memoria principal.
Tipos de memoria
42Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
El sistema operativo expulsa un fragmento de un proceso justo antes de ser usado. El procesador consume más tiempo intercambiando fragmentos que ejecutando instrucciones de usuario.
Hiperpaginación
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 22
43Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Las referencias a los datos y al programa dentro de un proceso tienden a agruparse. Durante cortos periodos de tiempo se necesitarán sólo unos pocos fragmentos de un proceso. Sería posible hacer predicciones inteligentes sobre qué fragmentos de un proceso se necesitarán en un futuro cercano. El principio de cercanía sugiere que los esquemas de memoria virtual pueden funcionar eficazmente.
Principio de cercanía
44Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Tiene que existir un soporte de hardware para la paginación y la segmentación. El sistema operativo debe incluir un software para gestionar el movimiento de páginas o segmentos entre memoria secundaria y memoria principal.
Soportes de la memoria virtual
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 23
45Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Cada proceso tiene su propia tabla de página. Cada entrada de la tabla de páginas contiene el número de marco de la página correspondiente en la memoria principal. Se necesita un bit para indicar si la página correspondiente está presente en la memoria principal o no lo está.
Paginación
46Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Otro bit de control necesario en la entrada de la tabla de páginas es el bit de modificación para indicar si el contenido de la página se ha alterado desde que la página se cargó en la memoria principal. Si no ha habido cambios, no es necesario escribir la página cuando sea sustituida en el marco que ocupa actualmente.
El bit de modificación en la tabla de páginas
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 24
47Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Dirección virtual
Entrada de la tabla de páginas
(a) Sólo paginación
Número de página Desplazamiento
PP MM Otros bits de controlOtros bits de control Número de marcoNúmero de marco
Figura 8.2. Formatos típicos de gestión de memoria.
Entradas de la tabla de páginas
48Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
N.º pág.
N.º marco
Figura 8.3. Traducción de direcciones en un sistema de paginación.
Despla-zamiento N.º marco Despla-
zamiento
Despla-zamiento
Dirección virtual
Registro
Tabla de páginas
N.º
pági
na Marcode
página
Puntero a tabla de páginas
Programa Mecanismo de paginación Memoria principal
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 25
49Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
La tabla de páginas completa puede ocupar una cantidad enorme de memoria principal. Para solucionar este problema, las tablas de páginas también se almacenan en la memoria virtual. Cuando un proceso se está ejecutando, al menos una parte de su tabla de páginas se encuentra en la memoria principal.
Tablas de páginas
50Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Cada referencia a la memoria virtual puede generar dos accesos a la memoria:• Uno para obtener la entrada de la tabla de
páginas correspondiente. • Otro para obtener el dato deseado.
Para solucionar este problema, los esquemas de memoria virtual hacen uso de un cache especial para las entradas de la tabla de páginas:• Se trata de la buffer de traducción adelantada
(TLB, Translation Lookaside Buffer).
Buffer de traducción adelantada
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 26
51Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Contiene aquellas entradas de la tabla de páginas usadas hace menos tiempo. Funciona del mismo modo que una memoria cache.
Buffer de traducción adelantada
52Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Dada una dirección virtual, el procesador examinaráprimero la TLB.Si la entrada de la tabla de páginas buscada estápresente (un “acierto en la TLB”), se obtiene el número de marco y se forma la dirección real.Si la entrada de la tabla de páginas no se encuentra (un “fallo en la TLB”), el procesador emplea el número de página como índice para buscar en la tabla de páginas del proceso y examinar la entrada correspondiente de la tabla de páginas.
Buffer de traducción adelantada
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 27
53Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Primero comprueba que la página esté en la memoria principal: • Si no está, se produce un fallo en el acceso a la
memoria, llamado fallo de página. El procesador actualiza la TLB para incluir esta nueva entrada de la tabla de páginas.
Buffer de traducción adelantada
54Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Volver a la instrucción que falló
Rutina de gestiónde fallo de página
Sí
No
Sí
Sí
No
No
Comienzo
La CPU compruebala TLB
Acceder a la tablade páginas
Actualizar TLB
La CPU generala dirección física
La CPU generala dirección física
El SO ordenaa la CPU leer
la página del disco
La CPU activa el hardware de E/S
La página se transfiere del discoa memoria principal
Actualizar las tablasde páginas
Actualizar las tablasde páginas
¿Memoria llena?
Figura 8.8. Funcionamiento de la paginación con buffer de traducción adelantada (TLB) [FUTH87].
¿Está la entradade la tabla de página
en la TLB?
¿Está la página en memoria principal?
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 28
55Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Dirección virtual Memoria principal Memoria secundaria
Buffer de traducción adelantada
Dirección real
Despla-zamiento
Despla-zamiento
Acierto de TLB
Fallo de TLB
Tabla de páginas
Despla-zamiento
Cargarpágina
Fallo de página
Nº. Pág.
N.º marco
Figura 8.7. Uso de un Buffer de Traducción Adelantada.
N.º pág. Despla-zamiento
56Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Cuanto menor sea el tamaño de página, menor será la cantidad de fragmentación interna. Cuanto menor sea la página, mayor será el número de páginas que se necesitan por proceso. Un número mayor de páginas por proceso significa que las tablas de páginas serán mayores. Esto puede significar que una gran parte de las tablas de páginas de los procesos activos deben estar en la memoria virtual. La memoria secundaria está diseñada para transferir eficazmente los bloques de datos de mayor tamaño, de manera que es propicia para tamaños de página mayores.
Tamaño de página
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 29
57Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Si el tamaño de página es muy pequeño, estarán disponibles en la memoria principal un gran número de páginas para cada proceso. Después de un tiempo, todas las páginas de la memoria contendrán parte de las referencias más recientes del proceso. La tasa de fallos de página será menor. Cuando se incrementa el tamaño de la página, cada página individual contendrán posiciones cada vez más distantes de cualquier referencia reciente. La tasa de fallos será mayor.
Tamaño de página
58Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Figura 8.11. Comportamiento típico de la paginación en un programa.
Tas
a de
fallo
s de
pági
na
Tas
a de
fallo
s de
pági
na
(a) Tamaño de página (b) Número de marcos de página asignados
P = Tamaño del proceso completoW = Tamaño del conjunto de trabajoN = Número total de páginas del proceso
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 30
59Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Múltiples tamaños de página proporcionan la flexibilidad necesaria para usar una TLB eficazmente. Las páginas grandes se pueden utilizar para traducir instrucciones de programa. Las páginas de pequeño tamaño se pueden emplear para las pilas de los hilos. La mayoría de los sistemas operativos favorecen el uso de un solo tipo de página.
Tamaño de página
60Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Tabla 8.2. Ejemplos de tamaños de páginas.
Computadora Tamaño de página
Atlas 512 palabras de 48 bits
Honeywell-Multics 1.024 palabras de 36 bits
IBM 370/XA y 370/ESA 4 Kbytes
Familia VAX 512 bytes
IBM AS/400 512 bytes
DEC Alpha 8 Kbytes
MIPS de 4 Kbytes a 16 Mbytes
UltraSPARC de 8 Kbytes a 4 Mbytes
Pentium de 4 Kbytes a 4 Mbytes
Power Pc 4 Kbytes
Ejemplos de tamaños de páginas
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 31
61Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Los segmentos pueden ser de distintos tamaños, incluso de forma dinámica. Simplifica la gestión de estructuras de datos crecientes. Permite modificar y recopilar los programas independientemente.Se presta a la compartición entre procesos. Se presta a la protección.
Segmentación
62Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Segmento correspondiente de la memoria principal. Cada entrada de la tabla de segmentos contiene la longitud del segmento. Se necesita un bit para indicar si el segmento correspondiente está presente en la memoria principal. Otro bit de control necesario es un bit de modificación que indique si el contenido del segmento correspondiente ha sido modificado desde que se cargó por última vez en la memoria principal.
Tablas de segmentos
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 32
63Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Dirección virtual
Entrada del segmento de tabla
Número de segmento Desplazamiento
PP MM Otros bits de controlOtros bits de control LongitudLongitud Base de segmentoBase de segmento
Figura 8.2. Formatos típicos de gestión de memoria.
(b) Sólo segmentación
Entradas de las tablas de segmentos
64Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
La paginación es transparente al programador. La paginación elimina la fragmentación externa. La segmentación es visible para el programador. La segmentación permite gestionar estructuras de datos que pueden crecer, la modularidad y el soporte de la compartición y la protección. Cada segmento se divide en varias páginas de tamaño fijo.
Paginación y segmentacióncombinadas
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 33
65Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Dirección virtual
Entrada de la tabla de segmentos
Nº. segmento
PP MM
LongitudLongitud Base de segmentoBase de segmentoOtros bits de controlOtros bits de control
Número de páginaNúmero de página Despla-zamientoDespla-
zamientoNúmero de segmentoNúmero de segmento
Otros bits de controlOtros bits de control Número de marcoNúmero de marco
Entrada de la tabla de páginas
Figura 8.2. Formatos típicos de gestión de memoria.
(c) Segmentación y paginación combinadas
P = Bit de presenciaM = Bit de modificación
Paginación y segmentacióncombinadas
66Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Memoria principalDirección
Distribuidor
Proceso A
Proceso B
Proceso C
Ningún acceso permitido
Instrucción de salto (no permitida)
Referencia a datos(permitida)
Referencia a datos (no permitida)
Figura 8.14. Relaciones de protección entre segmentos.
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 34
67Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Política de lectura:• Está relacionada con la decisión de cuándo se debe
cargar una página en la memoria principal. • Con la paginación por demanda, se trae una página
a la memoria principal sólo cuando se hace referencia a una posición en dicha página:
# Cuando un proceso se ejecute por primera vez, se producirán muchos fallos de página.
• Con la paginación previa, se cargan más páginas de las necesarias:
# Es más eficiente traer a la memoria un número de páginas contiguas.
Políticas de lectura
68Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Política de ubicación:• Qué página se va a reemplazar.• La página que se va a reemplazar tiene que
ser la que tenga una menor posibilidad de ser referenciada en un futuro cercano.
• La mayoría de las políticas intentan predecir el comportamiento futuro en función del comportamiento pasado.
Políticas de reemplazo
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 35
69Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Bloqueo de marcos:• Cuando un marco está bloqueado, la página
cargada en ese marco no puede ser reemplazada.
• La mayoría del núcleo del sistema operativo estáen marcos bloqueados.
• Estructuras de control.• Buffers de E/S.• El bloqueo se consigue asociando un bit de
bloqueo a cada marco.
Políticas de reemplazo
70Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Política óptima:• Selecciona para reemplazar la página que
tiene que esperar una mayor cantidad de tiempo hasta que se produzca la referencia siguiente.
• Es imposible de implementar porque requiere que el sistema operativo tenga un conocimiento exacto de los sucesos futuros.
Algoritmos básicos de reemplazo
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 36
71Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Política de la usada menos recientemente (LRU):• Reemplaza la página de memoria que no ha
sido referenciada desde hace más tiempo. • Debido al principio de cercanía, ésta sería la
página con menor probabilidad de ser referenciada en un futuro cercano.
• Una solución sería etiquetar cada página con el momento de su última referencia.
Algoritmos básicos de reemplazo
72Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Política de primera en entrar primera en salir (FIFO):• Trata los marcos asignados a un proceso como un
buffer circular. • Las páginas se suprimen de la memoria según la
técnica de turno rotatorio (round-robin).• Es una de las políticas de reemplazo más sencillas
de implementar.• Se reemplaza la página que ha estado más tiempo en
la memoria. • Estas páginas pueden necesitarse de nuevo y en un
plazo de tiempo corto.
Algoritmos básicos de reemplazo
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 37
73Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Política del reloj:• Requiere asociar un bit adicional a cada marco,
denominado bit de uso. • Cuando se carga una página por primera vez en un marco
de memoria, el bit de uso de dicho marco se pone a cero. • Cuando se hace referencia a la página posteriormente, el
bit de uso se pone a 1. • Cuando llega el momento de reemplazar una página, el
primer marco encontrado con el bit de uso a 0 es reemplazado.
• Durante la búsqueda para realizar reemplazos cada bit de uso a 1 se cambia a 0.
Algoritmos básicos de reemplazo
74Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Primer marco en el buffercircular de marcos que soncandidatos para el reemplazo
Página 9uso = 1
Página 19uso = 1
Página 191uso = 1
Página 1uso = 1
Página 45uso = 1
Página 13uso = 0
Página 67uso = 1
Página 33uso = 1
Figura 8.16. Ejemplo de funcionamiento de la política del reloj.
(a) Estado del buffer justo antes del reemplazo de página
Puntero alsiguiente
marco
Página 556uso = 0
Página 222uso = 0
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 38
75Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Figura 8.16. Ejemplo de funcionamiento de la política del reloj.
(b) Estado del buffer justo después del siguiente reemplazo de página
Página 9uso = 1
Página 19uso = 1
Página 1uso = 0
Página 45uso = 0
Página 191uso = 0
Página 727uso = 0
Página 13uso = 0
Página 67uso = 1
Página 33uso = 1
Página 222uso = 0
76Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Almacenamiento intermedio de páginas:• La pista de la página reemplazada se asigna a
una de las dos listas siguientes: # La lista de páginas libres, si la página no ha sido
modificada. # La lista de páginas modificadas, si lo ha sido.
Algoritmos básicos de reemplazo
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 39
77Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Asignación fija:• Otorga a cada proceso un número fijo de
páginas en las que ejecutar. • Cada vez que se produce un fallo de página en
la ejecución de un proceso, se debe reemplazar una de las páginas de dicho proceso.
Asignación variable:• Permite que el número de marcos asignados a
un proceso cambie a lo largo de su vida.
Tamaño del conjunto residente
78Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Es la combinación más sencilla de implementar.Ha sido adoptada por un buen número de sistemas operativos. Normalmente el sistema operativo mantiene unalista de marcos libres. Cuando se produce un fallo de página, se añade un marco libre al conjunto residente del proceso. Cuando no hay marcos libres, el sistema operativo debe elegir una página que esté en la memoria para reemplazar.
Asignación variable y alcance global
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 40
79Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Cuando se carga un nuevo proceso en la memoria, se le asigna cierto número de marcos en función del tipo de aplicación, las necesidades del programa u otros criterios. Cuando se produce un fallo de página, se selecciona la página a reemplazar de entre las del conjunto residente del proceso que sufre el fallo. Se vuelve a evaluar la asignación de vez en cuando.
Asignación variable y alcance local
80Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Vaciado por demanda:• Una página se escribirá en la memoria
secundaria sólo cuando haya sido elegida para reemplazarse.
Vaciado previo:• Escribe las páginas modificadas por lotes.
Políticas de vaciado
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 41
81Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
La mejor solución es incorporar almacenamiento intermedio de páginas:• Las páginas reemplazadas pueden situarse en
dos listas: # Modificadas y no modificadas.
• Las páginas de la lista de modificadas pueden escribirse periódicamente por lotes.
• Una página de la lista de no modificadas pueden reclamarse, si se le hace de nuevo referencia o perderse, cuando se asigna su marco a otra página.
Políticas de vaciado
82Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Determina el número de procesos que pueden estar en la memoria principal.Cuando hay pocos procesos residentes en la memoria, habrá muchas ocasiones en las que todos los procesos estén bloqueados y se gastará mucho tiempo en el intercambio. Si hay demasiados procesos residentes, el resultado será la hiperpaginación.
Control de carga
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 42
83Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Suspender un proceso implica liberar parte de la memoria que éste estaba ocupando. Hay varios criterios para suspender procesos:• Procesos con la prioridad más baja. • Procesos con fallos de página:
# Este proceso no tiene su conjunto de trabajo en la memoria principal, por lo que quedarábloqueado de todas formas.
• Último proceso activado:# Este es el proceso con menos posibilidades de
tener su conjunto de trabajo residente.
Suspensión de procesos
84Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
• Proceso con el conjunto residente más pequeño:
# Este es el proceso que necesita el menor esfuerzo futuro para volver a cargar el conjunto residente.
• El proceso mayor:# Esta alternativa obtiene la mayor cantidad de
marcos libres. • Procesos con la mayor ventana de ejecución
restante.
Suspensión de procesos
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 43
85Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Sistema de paginación:• Tabla de páginas.• Descriptor de bloques de disco.• Tabla de marcos de página.• Tabla de uso de intercambios.
Gestión de memoria en UNIX y Solaris
86Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Número de marco de página EdadCopia en es-
crituraNúmero de marco de página Edad Modifi-
caciónRefe-rencia Validez Protec-
ción
Número de dispositivo de intercambio
Número de bloque de dispositivo Tipo de almacenamiento
(a) Entrada de la tabla de páginas
(b) Descriptor de bloques de disco
Figura 8.22. Formatos de gestión de memoria en UNIX SVR4.
Estructuras de datos
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 44
87Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Figura 8.22. Formatos de gestión de memoria en UNIX SVR4.
(c) Entrada de la tabla de marcos de página
(d) Entrada de la tabla de utilización del intercambio
Número de marco de página EdadDispositivo
lógicoEstado de la página
Contador dereferencias
Número debloque
Puntero a marcode página
Contador de referencias
Página/númerode unidad de
almacenamiento
Estructuras de datos
88Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Reemplazo de páginas:• Es un refinamiento de la política del reloj.
Asignador de memoria del núcleo:• La mayor parte de estos bloques son
significativamente más pequeños que el tamaño de página en las máquinas normales.
Gestión de memoria en UNIX y Solaris
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 45
89Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Directorio de páginas.Directorio intermedio de páginas.Tabla de páginas.
Gestión de memoria en Linux
90Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Paginación en W2K:• Disponible.• Reservada.• Confirmada.
Gestión de memoria en Windows 2000
Arquitectura de Computadores
Tema 5: Subsistema de Memoria 46
91Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos
Región de 64 Kilobytespara la asignaciónde punteros NULL (inaccesible)
Figura 8.25. Espacio de direcciones virtuales por defecto en Windows 2000.
Región de 2 Gigabytespara el espacio de direcciones de usuario(no reservado, utilizable)
Región de 64 Kilobytespara la asignaciónincorrecta de punteros (inaccesible)
Región de 2 Gigabytespara el sistema operativo(inaccesible)
Top Related