Gestione della Memoria Principale

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1 Gestione della Memoria Principale Requisiti della Gestione della Memoria. Gestione a Partizioni Fisse. Partizionamento dinamico. Paginazione. Segmentazione. 1 Gestione della Memoria In un sistema multiprogrammato la parte utente della memoria deve essere suddivisa per ospitare più processi. La memoria deve essere allocata efficientemente per immettervi più processi possibili. 2 1

2 Requisiti della Gestione della Memoria Rilocazione Un programmatore non sa in anticipo dove il programma sarà allocato in memoria durante l esecuzione. Durante l esecuzione, il programma potrà essere trasferito sul disco (Swappato) e poi riportato in Memoria Centrale in una diversa posizione (Rilocato). I riferimenti alla memoria trovati nel codice del programma devono essere tradotti in indirizzi fisici effettivi di memoria. 3 2

3 Requisiti della Gestione della Memoria Protezione I processi non devono referenziare le locazioni di memoria di altri processi senza permesso. Siccome il programma potrebbe essere rilocato, è impossibile controllare gli indirizzi assoluti a tempo di compilazione, quindi I riferimenti alla memoria devono essere controllati durante l esecuzione. E in genere compito del Processore (Hardware) giacchè il sistema operativo non può anticipare tutti i riferimenti alla memoria che un programma farà. 5 Condivisione Requisiti della Gestione della Memoria Permette a più processi di accedere alla stessa porzione di memoria condivisa, senza compromettere la protezione. E preferibile che ciascun processo acceda ad una stessa copia del programma, piuttosto che darne a ciascuno una copia separata. 6 3

4 Requisiti della Gestione della Memoria Organizzazione Logica La memoria principale è organizzata come spazio di indirizzamento lineare, mentre i programmi sono generalmente organizzati in moduli (R/W/X). Sistema operativo e hardware devono trattare programmi utente e dati come moduli, permettendo che: I moduli possono essere scritti e compilati indipendentemente, ed i riferimenti vengono risolti a tempo di esecuzione. Differenti gradi di protezione possono essere attribuiti ai vari moduli (read-only, execute-only) Condivisione dei moduli 7 Requisiti della Gestione della Memoria Organizzazione Fisica Si ricorre generalmente a schemi di gestione della memoria a due livelli, dove il flusso di dati tra memoria principale e secondaria è compito fondamentale del sistema. Assegnare il compito al programmatore non è pratico perché: Usando gli Overlay, il programmatore deve gestire l alternanza di vari moduli nello stesso spazio di memoria. Il programmatore non sa quanto e quale spazio sarà disponibile. 8 4

5 Gestione a Partizioni Fisse Partizioni Uguali Ogni processo con dimensioni minori o uguali a quelle di una partizione potrà essere allocato in una partizione disponibile. Se tutte le partizioni sono occupate, il S.O. può sottoporre un processo a swap out. Un programma può essere più grande di una partizione. In tal caso, il programmatore dovrà far uso degli Overlay. 9 Gestione a Partizioni Fisse Svantaggi delle Partizioni Fisse. Uso inefficiente della memoria e Frammentazione Interna: ogni programma occupa un intera partizione, indipendentemente dalla sua dimensione, con conseguente spreco di memoria. Il problema può essere minimizzato usando partizioni fisse ma a dimensioni variabili 10 5

6 Algoritmi di allocazione Partizioni Fisse Viene assegnata una qualsiasi partizione libera Partizioni Variabili Viene assegnato il processo alla più piccola partizione sufficientemente grande. E necessaria una coda di schedulazione per ogni partizione. I processi sono assegnati in modo da minimizzare lo spreco di memoria interno alla partizione. In alternativa unica coda di schedulazione 12 6

7 Partizionamento dinamico Partizioni in numero e lunghezza variabili. Al processo viene assegnata esattamente la memoria necessaria. Il metodo produce piccoli buchi in memoria: è il fenomeno della Frammentazione Esterna Necessarie tecniche di Compattazione per spostare i processi e renderli contigui, e riunire tutta la memoria libera in un unico blocco. La compattazione ha elevato costo computazionale Richiede capacità di rilocazione 14 7

8 Effetti del Partizionamento Dinamico Effetti del Partizionamento Dinamico 8

9 Algoritmi di allocazione per il partizionamento dinamico Il S.O. decide quale blocco libero assegnare ad un processo. Algoritmo Best-fit Sceglie il blocco che è più vicino in dimensione alla richiesta. Ha le peggiori prestazioni, in quanto cercando il blocco più piccolo, lascia sempre frammenti piccoli e scarsamente utilizzabili. È necessaria la compattazione di memoria più frequentemente. 17 Algoritmi di allocazione per il partizionamento dinamico Algoritmo First-fit È il più semplice e veloce: sceglie il primo blocco disponibile sufficientemente grande. Ha lo svantaggio che tende a riempire la parte iniziale della memoria, lasciando piccole partizioni libere che devono essere esaminate ad ogni passo dell algoritmo. 18 9

10 Algoritmi di allocazione per il partizionamento dinamico Algoritmo Next-fit Scandisce la memoria partendo dall ultimo blocco allocato, e sceglie il primo blocco disponibile successivo sufficientemente grande. Ha prestazioni leggermente peggiori del first-fit Il più grande blocco di memoria libera (solitamente alla fine) è rapidamente ridotto in piccoli frammenti, richiedendo la compattazione più frequentemente. 19 Blocco di 16 KB da allocare 10

11 Alcuni limiti della gestione a Partizioni Partizioni fisse: Limita il numero di processi attivi Usa inefficientemente la memoria se c è poca corrispondenza fra dimensioni del processo e della partizione disponibile. Partizionamento dinamico: Più complesso da gestire e maggiori costi realizzativi per la necessità di compattazione. Un metodo alternativo per superare alcuni inconvenienti il Buddy System (usato per alcuni sistemi paralleli e nell allocazione del kernel di UNIX). 21 Buddy System L intero spazio disponibile viene trattato come un unico blocco di dimensione 2 U Data una richiesta con dimensione s tale che 2 U-1 < s <= 2 U, l intero blocco viene allocato. Altrimenti il blocco è diviso in due compagni di uguale dimensione 2 U-1. Il processo di divisione continua finché viene generato il più piccolo blocco con dimensioni maggiori o uguali ad s. Quando una coppia di compagni si libera, si ricrea un unico blocco con dimensione doppia

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13 Dettagli del Buddy System Il sistema mantiene una lista di blocchi liberi per ciascuna dimensione 2 i Un blocco viene rimosso dalla lista i+1 esima dividendolo a metà e creando due compagni di dimensione 2 i che verranno inseriti nella lista i-esima Ogni volta che si libera una coppia di compagni dalla lista i-esima, questi sono riunificati e spostati nella lista i+1-esima Ad ogni nuova richiesta di memoria si può impiegare un algoritmo ricorsivo per cercare un blocco libero 25 Rilocazione Quando un processo è caricato in memoria, gli Indirizzi Logici presenti nel codice sono sostituiti dagli Indirizzi Assoluti (o Fisici) della memoria principale. Durante l esecuzione, a seguito dello swapping, un processo può occupare partizioni differenti, con indirizzi assoluti differenti. Anche la Compattazione porterà un processo ad occupare differenti partizioni ed indirizzi. Concetti validi sia per la gestione a partizioni fisse che per l allocazione dinamica 26 13

14 Indirizzi di memoria Logico Riferimento ad una locazione di memoria indipendente dall allocazione effettiva in memoria fisica. Richiede la traduzione in indirizzo fisico. Relativo è un caso particolare di Indirizzo Logico, in cui l indirizzo è espresso come una locazione relativa ad un punto prefissato. Fisico (o Indirizzo assoluto) è una locazione effettiva in memoria principale

15 Registri usati durante l Esecuzione Registro Base Indirizzo di partenza del processo in memoria principale. Registro Limite Indirizzo finale del programma. Questi valori sono impostati quando il processo è caricato in memoria, e quando è sottoposto a swap in dal disco. 29 Registri usati durante l Esecuzione Il valore del Registro Base viene addizionato all indirizzo relativo per produrre l indirizzo assoluto. L indirizzo risultante è confrontato col valore del Registro limite. Se l indirizzo è fuori dal limite, è generato un interrupt per il S.O

16 Paginazione La memoria principale è partizionata in blocchi relativamente piccoli (es. 4K ) della stessa misura (frames) Ogni processo è diviso in pacchetti della stessa dimensione (pagine) Il S.O. mantiene una Tabella delle Pagine per ciascun processo La Tabella contiene l indirizzo dei frame associati alle pagine del processo. All interno del programma ogni indirizzo di memoria è composto da un numero di pagina e da un offset interno alla pagina

17 Esempio: le Tabelle delle pagine all istante (f) 17

18 Paginazione Il S.O. mantiene anche la lista dei frame liberi. La dimensione della pagina è in genere potenza di 2 per semplificare l hardware per la paginazione. Esempio (indirizzo a 16-bit, pagine di 1K) Primi 6 bits (010101)= numero di pagina Ultimi 10 bits ( ) = offset interno alla pagina Dimensioni tipiche della pagina: 512 bytes, 1K, 4K 35 Paginazione Elimina il problema della frammentazione esterna: un processo può occupare anche pagine non contigue. Resta la frammentazione interna: lo spreco di memoria nell ultima pagina dipende dalla dimensione della pagina. La scelta della dimensione della pagina influisce sulla dimensione della Tabella delle Pagine

19 Realizzazione della Tabella delle Pagine Attraverso un insieme di Registri Dedicati: traduzione veloce degli indirizzi ma soluzione costosa (specie con tabelle grandi). La Tabella è salvata in Memoria Principale ed un Registro Base punta ad essa. Soluzione inefficiente: per accedere ad ogni locazione di memoria sono necessari due accessi in memoria! Soluzione con Registri associativi (Cache): Accesso più veloce ma l hardware è costoso 37 Segmentazione Un processo è diviso in un certo numero di segmenti, non tutti della stessa lunghezza Il programmatore scompone il programma in segmenti e deve badare a non superare la lunghezza massima consentita per il segmento Un indirizzo sarà composto dal numero del segmento e da un offset Esiste una tabella dei segmenti le cui entry forniscono sia l indirizzo iniziale del segmento, sia la sua lunghezza La traduzione dell indirizzo logico si ottiene sommando l offset all indirizzo fisico iniziale del 38 segmento 19

20 Segmentazione Giacchè la lunghezza dei segmenti non è la stessa, la segmentazione è simile al partizionamento dinamico, ma non ha il vincolo della contiguità Quindi la segmentazione elimina la frammentazione interna, ma presenta frammentazione esterna 39 20