Memoria virtuale. Daniele Loiacono, Vittorio Zaccaria

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Niccoletta Caselli
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1 Memoria virtuale Daniele Loiacono, Vittorio Zaccaria Informatica B - Codice Corso: A.A. 2010/2011 INGEGNERIA MECCANICA (BV) - INGEGNERIA IV (1 liv.) - Scaglione S - Z INGEGNERIA ENERGETICA (BV) - INGEGNERIA IV (1 liv.) - Scaglione S - Z

2 Il modello di memoria E un modello lineare La memoria è una sequenza di celle numerate da 0 fino a un valore massimo M Il numero che identifica ogni cella è detto indirizzo La dimensione della cella dipenda dal tipo di calcolatore (per noi sarà di 8 bit, ossia un byte) M MEMORIA

3 Spazio di indirizzamento Lo spazio di indirizzamento è il numero massimo di indirizzi possibili della memoria Dipende dalla lunghezza in bit degli indirizzi Se gli indirizzi sono lunghi N bit, lo spazio di indirizzamento è di 2^N celle Tutte le celle devono essere indirizzabili (cioè devono avere un indirizzo), quindi. Dimensione memoria <= Spazio indirizzamento Le dimensioni della memoria sono generalmente espresse in: KB (Kilobyte) = 2^10 byte MB (Megabyte) = 2^20 byte GB (Gigabyte) = 2^30 byte

4 Allocazione dei programmi C in memoria: un esempio problematico int a=3; P1.c int a=6; P2.c void main() { a = a + 1; } void main() { a = a + 3; }.data a:.word 3.text main: load a, R1 add R1, #1 store R1, a P1.s File assembly generati dal compilatore.data a:.word 6.text main: load a, R1 add R1, #3 store R1, a P2.s

5 Allocazione dei programmi C in memoria: un esempio problematico.data a:.word 3.text main: load a, R1 add R1, #1 store R1, a P1.s File assembly generati dal compilatore.data a:.word 6.text main: load a, R1 add R1, #3 store R1, a P2.s L assemblatore dara lo stesso indirizzo alla variabile a (supponiamo sia 0) Cosa succede quando carico entrambi i programmi in memoria? Devo ovviamente fare in modo che non si sovrappongano (devo rilocarli in qualche modo efficiente e dinamica)

6 Principi di rilocazione dinamica Nota bene: questa conversione avviene nella CPU quando le istruzioni che usano indirizzi vengono eseguite: Registro base (valore specifico per il programma) MEMORIA + fisico Indirizzo da rilocare (Registro PC o AR) virtuale M

7 Principi di rilocazione dinamica memoria fisica valore del registro base per P1 = MEMORIA Indirizzo virtuale della variabile a di P1 e 0 ma quello fisico e 2. P1 Immagine in memoria fisica valore del registro base per P2 = Indirizzo virtuale della P2 variabile a di P2 e 0 ma quello fisico e 100. M

8 Altri problemi Il meccanismo visto prima e utile ma non sufficiente: Nella memoria fisica risiedono contemporaneamente il s.o. e i diversi processi. Ulteriori processi caricati potrebbero essere piu grandi degli spazi vuoti disponibili. La memoria fisica può essere insufficiente a contenere le immagini complete di tutti processi

9 Memoria virtuale Insieme di meccanismi della CPU e politiche del S.O. che permettono ai programmi di essere sviluppati: come se ci fosse un unica memoria (ad indirizzi contigui) allocata solo per loro. Permette di sfruttare al meglio gli spazi vuoti della memoria fisica anche non contigui. Include implicitamente una rilocazione dinamica seppur in maniera molto particolare. Noi vedremo uno dei meccanismi piu usati per implementare la memoria virtuale: la paginazione.

10 Memoria virtuale Concetti fondamentali: indirizzi fisici e indirizzi virtuali (o logici). Gli indirizzi contenuti in un programma eseguibile sono indirizzi virtuali e fanno riferimento alla memoria virtuale. La memoria effettivamente presente nel calcolatore è la memoria fisica e i suoi indirizzi sono detti indirizzi fisici La CPU effettua una trasformazione tra l indirizzo utilizzato in un programma (virtuale) e il suo corrispettivo fisico.

11 Paginazione Si rinuncia ad avere una zona contigua della memoria fisica per ciascun processo La memoria virtuale del programma viene suddivisa in porzioni (pagine virtuali) di lunghezza fissa (potenza di 2, es: 4K) La memoria fisica viene divisa in pagine fisiche della stessa dimensione Le pagine virtuali di un programma vengono caricate in altrettante pagine fisiche, non necessariamente contigue

12 Memoria Virtuale tramite paginazione MEMORIA P MEMORIA P2 Spazio utilizzabile da altri processi M Senza paginazione M Con paginazione

13 Come e implementata la paginazione nella CPU? Ogni pagina virtuale ha un numero (NPV). Un indirizzo virtuale nel programma puo essere scomposto in due parti, una che indica il NPV e l altra indica l offset: indirizzo virtuale (2 campi) 16/32/64 bit 0 1 MEMORIA Pagina 0 NPV Offset all interno della pagina 2 Pagina 1 MSB LSB numero di pagina virtuale M Pagina N memoria virtuale vista dal processo

14 Come e imeplemntata la paginazione nella CPU? Ogni pagina fisica ha un numero (NPF). La memoria fisica e suddivisa in pagine della stessa dimensione di quelle virtuali. NPF <= NPV MSB NPF indirizzo fisico (2 campi) MEMORIA Pagina 0 Offset all interno della pagina Pagina 1 LSB numero di pagina fisica (anche detto numero di pagina logica) Pagina P memoria fisica Attenzione: il numero di pagine fisiche in memoria puo essere molto M inferiore a quelle virtuali disponibili per i programmi!

15 Traduzione virtuale/fisico AR o PC MSB NPV traduzione Offset all interno della pagina LSB MSB NPF Offset all interno della pagina LSB Le pagine fisiche e virtuali hanno la stessa dimensione

16 Un esempio concreto Spazio di indirizzamento virtuale: Indirizzi da 32 bit -> 2^32 indirizzi Dimensione di pagina: 4K parole (o celle) -> 2^12 byte (1 cella occupa 1 byte) Numero di pagine dello spazio di indirizzamento virtuale = 2^32 / 2^12 = 2^20 pagine Spazio di indirizzamento fisico: 4M parole (o celle) -> 2^22 indirizzi Numero di pagine dello spazio di indirizzamento fisico = 2^22 / 2^12 = 2^10 pagine

17 Un esempio concreto 20 bit 12 bit MSB NPV 10 bit Offset all interno della pagina 12 bit LSB MSB NPF Offset all interno della pagina LSB Le pagine fisiche e virtuali hanno la stessa dimensione. L offset sara lo stesso numero di bit.

18 Un meccanismo di traduzione virtuale/fisico. La tabella delle pagine. NPV Offset all interno della pagina MSB LSB NPF Offset all interno della pagina MSB LSB

19 Memory Management Unit Per accelerare la traduzione da NPV a NPF si ricorre allora alla MMU (contenuta nella CPU). La MMU è una memoria particolarmente veloce (memoria associativa) dalle dimensioni ridotte, contenente solo le informazioni sulle pagine più utilizzate Visto che gli NPV e gli NPF si riferiscono alle pagine di un processo, ogni volta che il processo in esecuzione cambia la MMU dovrebbe essere riscritta. Per evitare ciò si aggiunge una colonna che dice a quale processo appartengono le pagine e un registro che dice qual è il processo attualmente in esecuzione

20 Memory Management Unit Durante l esecuzione di un programma solo un sottoinsieme del numero delle sue pagine virtuali è caricato in altrettante pagine fisiche Tali pagine sono dette pagine residenti Ad ogni accesso alla memoria si controlla che all indirizzo virtuale corrisponda una pagina residente, altrimenti si produce un interrupt di segnalazione di errore detto page-fault Il processo viene sospeso in attesa che la pagina richiesta venga caricata in memoria, eventualmente scaricando su disco una pagina già residente per liberare lo spazio necessario (operazione di swap).

21 Esercizio 1 Un sistema dotato di memoria virtuale con paginazione è caratterizzato dai seguenti parametri: l indirizzo logico è di 13 bit e l indirizzo fisico è di 12 bit; la dimensione delle pagine è di 512 byte. Definire la struttura dell indirizzo logico e di quello fisico indicando la lunghezza dei campi che li costituiscono. Soluzione: Indirizzo logico: NPV: 4 bit, offset logico: 9 bit Indirizzo fisico: NPF: 3 bit, offset fisico: 9 bit

22 Esercizio 2 Un sistema dispone di 8 Kbyte di memoria fisica indirizzabile; inoltre è dotato di memoria virtuale con paginazione caratterizzata dai seguenti parametri: l indirizzo logico è di 15 bit e le pagine sono di 256 byte. Definire la struttura dell indirizzo logico e di quello fisico indicando la lunghezza dei campi che li costituiscono Dim. pagina 256 byte = 2^8 byte, offset = 8bit Mem fisica: 8kbyte = 2^13 byte, indirizzo fisico = 13 bit Mem logica: 2^15 byte = 32Kbyte = 15bit di indirizzo logico Indirizzo fisico: NPF 5bit, offset 8bit (NPF e 13-8) Indirizzo logico: NPV 7bit, offset 8bit (NPF e 15-8)

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