Memoria Virtuale. Anche la memoria principale ha una dimensione limitata. memoria principale (memoria fisica) memoria secondaria (memoria virtuale)

Transcript

1 Memoria Virtuale Anche la memoria principale ha una dimensione limitata. Possiamo pensare di superare questo limite utilizzando memorie secondarie (essenzialmente dischi) e vedendo la memoria principale come una cache verso le memorie secondarie. In passato, volendo eseguire un programma di dimensione superiore a quella della memoria principale il programmatore doveva individuare delle parti del programma (overlays) mutuamente esclusive che venivano caricate in memoria una alla volta (sovrapponendosi le une alle altre). La gestione era completamente affidata al programma. Per liberare il programmatore da una tale responsabilità è stata introdotta la memoria virtuale che permette di gestire automaticamente i due livelli di gerarchia di memoria: memoria principale (memoria fisica) memoria secondaria (memoria virtuale) Questi sono concettualmente una coppia di livelli contigui nella gerarchia di memoria come quella formata dalla cache e la memoria principale ma, per motivi storici, viene utilizzata una terminologia diversa. Il blocco (l unità di informazione trasmessa) viene detto pagina. Un miss nella memoria virtuale viene detto page fault.

2 La CPU produce un indirizzo virtuale che viene tradotto in un indirizzo fisico con il quale si accede alla memoria principale Questa associazione è detta memory mapping. Indirizzo virtuale Indirizzi fisici Memoria fisica Pagine virtuali NON presenti nella memoria fisica Indirizzo su disco

3 Quello che rende questi due livelli sostanzialmente diversi dai livelli cache/memoria principale è il rapporto tra i tempi di accesso. SRAM DRAM Dischi magnetici 5-25 ns ns milioni ns E chiaro che la miss penality ovvero la page fault penality è in questo caso enorme e ciò influenza tutte le decisioni che vengono adottate. In particolare: Dimensione delle pagine: deve essere sufficientemente grande per abbattere la miss rate ovvero la page fault rate. Associatività: sempre per diminuire la page fault rate si preferisce una memoria completamente associativa. Scelta di dove scrivere una pagina o di quale pagina sostituire: viene determinata a livello software perché anche una piccola riduzione della miss rate può ripagare ampiamente il costo dell algoritmo utilizzato. Gestione delle write: è impensabile un write-through, viene adottata la tecnica di write-back (scrittura su disco solo prima che la pagina in memoria venga riscritta ).

4 Con una memoria associativa + un algoritmo intelligente per scegliere la pagina da sostituire si può abbattere il miss rate. Con la memoria associativa rimane però il problema di determinare la presenza del dato in memoria: una scansione è impensabile cosi come un controllo parallelo. Per risolvere il problema viene utilizzata una struttura dati che risiede in memoria detta tabella delle pagine (page table). La tabella delle pagine ha come indice il numero della pagina preso dall indirizzo virtuale e contiene il numero della corrispondente pagina fisica. Osservazione. Così come la dimensione di un singolo programma può eccedere la dimensione della memoria, nel caso di un processore che esegue più programmi contemporaneamnete la somma delle dimensioni dei programmi in esecuzione può eccedere la dimensione della memoria. Anche in questo caso la memoria virtuale offre una soluzione. Ogni programma utilizza indirizzi virtuali, cioè ha associato uno spazio di indirizzi virtuali, ed ha una sua tabella delle pagine che mappa tale spazio in quello fisico. La tabella delle pagine è una sorta di schedario dove accanto al nome di un libro c e la sua collocazione fisica (che può essere nella stessa biblioteca o in altre biblioteche).

5 Le pagine vengono caricate a blocchi di dimensione fissa così sia l indirizzo virtuale che quello fisico hanno due componenti: un indirizzo di pagina e un page offset. Quest ultimo è uguale nei due indirizzi. Indirizzo virtuale Indice pagina virtuale Page offset Bit validità Page Table Indirizzo fisico Indirizzo pagina fisica Page offset Page table register Il page table register contiene l indirizzo della Page Table.

6 Accessi alla memoria virtuale Anche in caso di hit, i tempi si raddoppiano: per accedere ad un dato presente nella memoria principale è necessario: 1. accedere alla memoria (page table) per ottenere l indirizzo fisico; 2. accedere alla memoria (dati) per leggere il dato all indirizzo fisico trovato nella page table. Assumendo che valga il principio di località: "dopo l accesso ad una pagina è probabile che si continui ad accedere alla stessa pagina" si può risparmiare l accesso alla page table (e quindi alla memoria) mantenendo in una cache i mappaggi usati più di recente (e ovviamente relativi a pagine presenti nella memoria fisica). Questa cache viene detta translation-lookaside buffer (TLB) Ogni indirizzo virtuale viene mappato in un blocco della TLB che contiene: - il bit di validità - il campo tag - l indirizzo di pagina fisica (è il dato in questo caso) Val Tag Indirizzo pagina fisica

7 Esemplificazione con TLB ad indirizzamento diretto Indirizzo virtuale Tag Indice TLB Page offset Indice di pagina virtuale val tag N. di pagina fisica TLB = hit Indirizzo fisico Se il mappaggio (traduzione) non è presente nella TLB, cioè si verifica un fallimento nella TLB, ci sarà un accesso alla page table e una scrittura nella TLB.