Sistema operativo: Gestione della memoria

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1 Dipartimento di Elettronica ed Informazione Politecnico di Milano Informatica e CAD (c.i.) - ICA Prof. Pierluigi Plebani A.A. 2008/2009 Sistema operativo: Gestione della memoria La presente dispensa e da utilizzarsi ai soli fini didattici previa autorizzazione dell autore. E severamente vietata la riproduzione anche parziale e la vendita. 15/01/2009

2 Introduzione In un sistema multiutente e multitask il gestore della memoria deve Caricare in memoria un programma permettendo la sua esecuzione Evitare che un programma acceda ad una zona di memoria non di sua competenza Nella fase di caricamento deve essere possibile trovare spazio libero sufficiente per ospitare il codice e i dati del programma In memoria, in un dato momento, possono esserci diversi programmi caricati Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 2

3 Struttura di un programma su file A fronte di una compilazione viene generato un programma Il programma è memorizzato all interno di un file eseguibile L esecuzione del programma consiste nel caricamento di questo file in memoria centrale La struttura del file contenente il programma ricalca la struttura della memoria centrale Insieme di celle di dimensione fissa Ogni cella contiene un istruzione o un dato Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 3

4 Compilatore linker loader Compilatore: trasforma il programma sorgente in programma oggetto Linker: collega i diversi moduli e le funzioni di libreria, ottenendo quindi un unico programma eseguibile Risolve eventuali riferimenti a variabili esterne ai moduli Ricava altre informazioni utili associate al programma: dimensione, posizione della prima istruzione esegubile (entry point), indirizzo di inizio per l allocazione in memoria (per indirizzi in formato assoluto) Loader: carica in memoria il programma da eseguire Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 4

5 Caricamento di un programma in memoria Avendo sia il file con il programma che la memoria la medesima struttura il caricamento consiste in una operazione di copia Il gestore della memoria centrale del sistema operativo È addetto a questa operazione di caricamento Deve cercare una zona di memoria sufficientemente grande per contenere il programma Osservazioni Ogni volta che un programma è caricato in memoria viene deciso dove caricarlo L indirizzo iniziale di un programma varia quindi da esecuzione ad esecuzione Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 5

6 Caricamento di un programma in memoria Libero int x, k, i; k=0; i=1; printf( %d, k); Utilizzato Memoria centrale int x, k, i; k=0; i=1; printf( %d, k); 38 0 Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 6

7 Indirizzi logici e indirizzi fisici All interno di un programma vi possono essere istruzioni di accesso a zone di memoria (accesso alle variabili) Ma un programma (il file) esiste prima che venga eseguito (il processo) Come è possibile sapere che indirizzo ha realmente una variabile quando non so in che zona di memoria il programma è stato caricato? Un programma utilizza degli indirizzi logici i cui valori sono generati considerando come primo indirizzo del programma il valore 0 A seguito del caricamento gli indirizzi vengono rilocati Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 7

8 Rilocazione Rilocazione statica (fatto dal loader) Una volta conosciuto il primo indirizzo fisico disponibile tutti gli indirizzi nel codice sono modificati dal linker Richiede un elevato tempo di setup iniziale ma poi tutto è ok È utilizzato nei sistemi mono tasking Rilocazione dinamica (in fase di esecuzione): Il codice viene caricato in memoria dal loader in formato rilocabile in una delle zone disponibili Uso di un registro base che memorizza l indirizzo effettivo della prima locazione di memoria Durante l esecuzione, ad ogni accesso, si calcola l indirizzo assoluto Richiede l esistenza di specifici componenti hardware interni alla CPU che memorizzino il registro base e facciano la rilocazione (che in realtà è una somma) Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 8

9 Rilocazione dinamica Registro Base Memoria no + > si Errore Indirizzo rilocabile Registro dimensione Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 9

10 Limiti del caricamento intero Caricare in memoria interamente un programma significa che: Deve esistere uno spazio di memoria sufficientemente grande per ospitare il programma Questo spazio deve essere contiguo Ci sono diverse inefficienze: Il continuo caricamento e scaricamento dei programmi porta ad una frammentazione della memoria Posso avere spazio a sufficienza per ospitare un programma che deve essere eseguito ma sono in zone non contigue Ho quindi uno spreco di memoria Inoltre le istruzioni presenti in un programma possono anche non essere eseguite tutte Si pensi alle funzionalità che Word mette a disposizione e quelle che effettivamente vengono utilizzate Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 10

11 Memoria virtuale Permette di eseguire i programmi anche se non sono completamente caricati in memoria L importante è che in memoria vi sia l istruzione da eseguire Possibilmente devono esserci anche quelle vicine (principio di località) Ciò che non viene caricato rimane in memoria di massa Permette di far apparire ad un programma una memoria centrale grande quanto lo spazio di indizzamento della macchina permette Con una macchina a 32bit ogni processo vede una memoria virtuale di 4GB tutta a sua disposizione MMU (Memory Management Unit) È il dispositivo hardware che permette di realizzare la memoria virtuale e che viene sfruttato dal sistema operativo In realtà la MMU esiste anche senza la memoria virtuale (contiene i registri base e dimensione) Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 11

12 Realizzare la memoria virtuale Paginazione Il programma e la memoria sono suddivisi in pagine di dimensione prefissata Segmentazione Il programma è suddiviso in segmenti semanticamente eterogenei Segmentazione paginata Il programma è suddiviso in segmenti semanticamente eterogenei Ogni segmento è a sua volta suddiviso in pagine Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 12

13 Paginazione: introduzione È definito a priori la dimensione di una pagina Ogni programma è visto come un insieme di pagine logiche La memoria è vista come un insieme di pagine fisiche La dimensione delle pagine logiche e fisiche è identica Il numero di pagine logiche (dimensione del programma) può essere diverso dal numero di pagine fisiche (dimensione della memoria) Se #pagine logiche < #pagine fisiche (libere) il programma potrebbe anche essere caricato in memoria interamente Se #pagine logiche > #pagine fisiche (libere) il programma verrà caricato in memoria parzialmente Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 13

14 Paginazione: caricamento Quando un programma viene caricato in memoria è sufficiente caricare la prima pagina (che contiene la prima istruzione da eseguire) In memoria è sufficiente quindi avere una pagina libera Per migliorare l efficienza si cerca di caricare comunque un numero superiore di pagine Programma Utilizzato Pagina logica 1 del programma Utilizzato Utilizzato Pagina logica 0 del programma Utilizzato Memoria centrale Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 14

15 Paginazione: indirizzo di memoria Consideriamo La dimensione di una cella pari a d=8 bit = 1 Byte La dimensione di un indirizzo di memoria pari a n=32 bit quindi lo spazio di indirizzamento (celle di memoria disponibili) sarà 2 n = 2 32 Supponiamo che la dimensione di una pagina sia di 2 m =2 19 =512KB Allora: Il numero di pagine disponibile è dato da 2 n / 2 m = 2 32 / 2 19 = 2 13 pagine l indirizzo di una generica cella può essere così suddiviso n-m = 13 bit Indica il numero di pagina m = 19 bit Indica la cella nella pagina Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 15

16 Paginazione: accesso alla memoria Con la paginazione il programma è sparpagliato all interno della memoria centrale La dimensione degli indirizzi utilizzati dal programma può essere diversa dalla dimensione degli indirizzi utilizzati dalla memoria centrale (#pagine fisiche!= #pagine logiche) La semplice rilocazione non è quindi più sufficiente per gestire gli accessi alla memoria La MMU è quindi più evoluta e tiene traccia di Quali pagine del programma sono caricate in memoria In che pagina in memoria è caricata una data pagina del programma Media anche tra la diversa rappresentazione degli indirizzi Ad ogni processo è associata una tabella delle pagine Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 16

17 Paginazione: tabella delle pagine Pagina 2 Pagina Pagina Pagina Pagina 1 2 Programma Tabella delle pagine 1 0 Memoria centrale Dim pagina 2 5 = 32Byte Dim memoria logica = 2 12 = 4096 Byte -> #pagine logiche = 2 7 = 128 Dim memoria fisica = 2 14 = Byte -> #pagine fisiche = 2 9 = 512 Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 17

18 Paginazione: risoluzione degli indirizzi 1/2 Un programma quandp vuole accedere ad una cella di memoria (e.g., una variabile) usa un indirizzo secondo la dimensione logica del programma Quell indirizzo deve essere trasformato nel corrispondente indirizzo fisico in cui La dimensione dell indirizzo potrebbe variare La cella puntata si può trovare in una pagina qualunque in memoria secondo la mappatura memorizzata nella tabella delle pagine Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 18

19 Paginazione: risoluzione degli indirizzi 2/ bit Pagina 2 Pagina 0 Pagina #pagina fisica cella nella pagina Cella richiesta (12 bit) Tabella delle pagine 9 bit Cella reale (14 bit) Pagina 127 Pagina 1 Memoria centrale Dim pagina 2 5 = 32Byte Dim memoria logica = 2 12 = 4096 Byte -> #pagine logiche = 2 7 = 128 Dim memoria fisica = 2 14 = Byte -> #pagine fisiche = 2 9 = 512 Corso di Informatica e CAD (c.i.) ICA LC - prof. Plebani 19