Calcolatori Elettronici. La memoria gerarchica La memoria virtuale
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- Tito Ferrante
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1 Calcolatori Elettronici La memoria gerarchica La memoria virtuale
2 Come usare la memoria secondaria oltre che per conservare permanentemente dati e programmi Idea Tenere parte del codice in mem princ e il resto in mem secondaria Trattare la mem principale come una cache per la mem secondaria Vantaggi Molti programmi contemporaneamente in esecuzione anche se la somma delle quantità di memoria che ognuno di essi richiede eccede le dimensioni della memoria principale un singolo programma può eccedere le dimensioni della memoria principale (tanto carico solo porzioni di esso) Meccanismi base memoria principale e memoria secondaria vengono scomposti in gruppi di parole detti pagine se non trovo una pagina in memoria principale ho una mancanza di pagina (page fault) e cercherò la pagina in memoria secondaria Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 2 L Tarantino - aa 2011/2012
3 Memoria virtuale - problematiche di base minimizzare i page fault perchè la penalizzazione è altissima!! Posizionamento della pagina sempre completamente associativa (gestita via software) Individuazione della pagina gestita via software Tecnica di sostituzione LRU o sue approssimazioni Strategia di scrittura sempre write-back Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 3 L Tarantino - aa 2011/2012
4 Un passo indietro Il programma eseguibile è prodotto dal linker che integra librerie e moduli oggetto prodotti dall assemblatore Il linker lavora come se avesse a sua disposizione l intera memoria virtuale Esempio se ho indirizzi da 32 bit posso indirizzare fino a 2 32 byte spazio di indirizzamento virtuale lo spazio di indirizzamento virtuale va considerato scomposto in pagine virtuali durante l esecuzione alcune pagine virtuali si trovano nella memoria principale (caricate in pagine fisiche) le altre si trovano nella memoria secondaria Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 4 L Tarantino - aa 2011/2012
5 Corrispondenze tra pagine virtuali e fisiche pagine fisiche Memoria principale Memoria virtuale di un programma Memoria secondaria DIM_PAG_VIRT = DIM_PAG_FIS in realtà le pagine virtuali risiedono sempre tutte in memsecondaria le pagine in mem principale sono un sottoinsieme di quelle in memoria secondaria Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 5 L Tarantino - aa 2011/2012
6 Trattamento dell indirizzo prosegue il parallelismo tra cache e memoria virtuale Se la memoria principale è divisa in blocchi l indirizzo viene diviso in due porzioni: lg 2 DIM_MEM_PRINC indirizzo del blocco MP lg 2 NBLK MP spiazzamento lg 2 DIM_BLK La memoria virtuale è divisa in pagine, quindi l indirizzo viene diviso in due porzioni: lg 2 DIM_MEM_VIRT indirizzo pagina virtuale lg 2 NPagVirt spiazzamento nella pagina lg 2 DIM_PAG Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 6 L Tarantino - aa 2011/2012
7 Indirizzo virtuale e indirizzo fisico (1) Quando si accede in memoria? durante le fasi di fetch o di accesso ai dati (lettura/scrittura) A quale parola si accede? a quella il cui indirizzo è nel PC (se fetch) o in AluOut (se accesso ai dati) l indirizzo di interesse è generato dalla CPU Come viene generato l indirizzo? in base alla evoluzione del processo, facendo riferimento allo spazio di indirizzamento virtuale (l unico conosciuto dal programma) la CPU genera indirizzi virtuali Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 7 L Tarantino - aa 2011/2012
8 Indirizzo virtuale e indirizzo fisico (2) la CPU genera indirizzi virtuali la memprinc vuole indirizzi fisici è necessario un processo di traduzione lg 2 NPagVirt lg 2 DIM_PAG indirizzo pagina virtuale spiazzamento nella pagina indirizzo virtuale Osservazione ind_pag_virt e ind_pag_fis in genere hanno dimensioni diverse??? indirizzo pagina fisica lg 2 NPagFis spiazzamento nella pagina lg 2 DIM_PAG indirizzo fisico Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 8 L Tarantino - aa 2011/2012
9 Posizionamento della pagina Politica completamente associativa se ci sono pagine fisiche libere si carica la pagina virtuale dove c è posto se non ci sono pagine libere entrano in gioco politiche di sostituzione l implementazione software permette di usare algoritmi sofisticati e strutture dati complesse per tenere traccia dell effettivo utilizzo delle pagine i miglioramenti ottenuti per il miss rate compensano il costo di tali algoritmi Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 9 L Tarantino - aa 2011/2012
10 Individuazione della pagina (1) La pagina cercata può essere ovunque Per ricordarci la collocazione delle pagine usiamo una tabella delle pagine Valid indirizzo di pagina fisica 1 pagina caricata in mem principale una riga per ogni pagina virtuale 0 pagina NON caricata in mem principale Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 10 L Tarantino - aa 2011/2012
11 Individuazione della pagina (2) lg 2 NPagVirt indirizzo pagina virtuale lg 2 DIM_PAG spiazzamento nella pagina indirizzo virtuale Valid indirizzo di pagina fisica hit/miss indirizzo pagina fisica lg 2 NPagFis spiazzamento nella pagina lg 2 DIM_PAG indirizzo fisico Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 11 L Tarantino - aa 2011/2012
12 La tabella delle pagine (1) ogni processo in esecuzione ne possiede una distinta le tabelle delle pagine risiedono in memoria bisogna individuare quella del processo attivo (il processo servito dalla CPU) il registro della tabella delle pagine contiene l indirizzo in memoria della tabella delle pagine del processo attivo Altre informazioni nella tabella (associate alla pagina) bit di uso (per la strategia di sostituzione LRU) bit di modifica (per la strategia di scrittura write back) Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 12 L Tarantino - aa 2011/2012
13 Esempio Determinare l occupazione di memoria della tabella se indirizzo virtuale 32 bit dim_pagina 4 KB dim_riga 4 byte DIM_TABELLA = NRIGHE * DIM_RIGA NRIGHE = NPAG_VIRT = DIM_MEM_VIRT / DIM_PAGINA NRIGHE = 2 32 Byte / 4 KByte = 2 32 / 2 12 = 2 20 DIM_TABELLA = 2 20 * 4 byte = 4 MB Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 13 L Tarantino - aa 2011/2012
14 Esercizio Determinare l occupazione di memoria della tabella se indirizzo virtuale 32 bit dim_pagina 16 KB dim_riga 4 byte DIM_TABELLA = NRIGHE * DIM_RIGA NRIGHE = NPAG_VIRT = DIM_MEM_VIRT / DIM_PAGINA NRIGHE = 2 32 Byte / 16 KByte = 2 32 / 2 14 = 2 18 DIM_TABELLA = 2 18 * 4 byte = 1 MB Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 14 L Tarantino - aa 2011/2012
15 La tabella delle pagine (2) lo spazio occupato dalla tabella delle pagine è elevato! Tecniche per ridurre l occupazione di memoria della tabella consentire alla tabella di crescere via via che il processo richiede più spazio (più pagine), aggiungendo nuove righe progettare strutture con una occupazione di memoria legata al numero di pagine in mem princ (minore del numero di pagine virtuali) TABELLA DELLE PAGINE INVERTITA paginare la tabella delle pagine Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 15 L Tarantino - aa 2011/2012
16 Gestione dei page fault quando il bit il validità vale 0 l esecuzione dell istruzione viene interrotta per caricare la pagina dalla memoria secondaria dove è collocata nel disco? deve esistere una seconda tabella che, per ogni pagina virtuale, dà l indirizzo della pagina su disco Osservazione il sistema operativo crea lo spazio su disco per tutte le pagine di un processo all atto della creazione del processo stesso quando il caricamento della pagina è completato si può riprendere l esecuzione dell istruzione Due possibilità: l istruzione viene rieseguita da capo (facile da implementare nella processore MIPS, lo stato non è cambiato, si erano effettuate solo letture dal banco e il calcolo dell indirizzo) l istruzione viene ripresa dal punto in cui è stata interrotta (in macchine con linguaggi più complessi, ma bisogna salvare e poi ripristinare lo stato complessivo) Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 16 L Tarantino - aa 2011/2012
17 Considerazioni sulle prestazioni Ogni accesso a memoria richiede un accesso alla tabella delle pagine La tabella delle pagine sta in memoria Gli accessi in memoria allora sono due : il primo per ricostruire l indirizzo fisico il secondo per accedere alla parola di interesse Località se in un istante di tempo T accedo ad una parola della pagina X c è un elevata probabilità che per un considerevole intervallo di tempo accederò sempre alla stessa pagina (anche considerando le dimensioni della pagina) perchè accedere ogni volta alla tabella delle pagine per recuperare sempre lo stesso indirizzo di pagina fisica? me lo scrivo da qualche parte (dove posso accedere velocemente) e lo recupero da lì finché rimango nella stessa pagina Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 17 L Tarantino - aa 2011/2012
18 Translation Lookaside Buffer (TLB) buffer di supporto alle traduzioni E una piccola cache dove riporto le coppie: ind_pag_virt ind_pag_fis relative alla pagine visitate più recentemente quando si richiede una pagina virtuale, il suo indirizzo viene cercato nel TLB: se c è, recupero dal TLB l indirizzo di pagina fisica senza accedere alla tabella delle pagine se non c è ho un fallimento nel TLB: accedo alla tabella delle pagine sostituisco una delle coppie del TLB con la nuova coppia Il TLB, per ogni pagina, contiene anche i bit di uso e di modifica, per non dover accedere alla tabella delle pagine in caso di loro aggiornamento quando una coppia viene eliminata dal TLB i relativi bit devono essere copiati nella tabella delle pagine Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 18 L Tarantino - aa 2011/2012
19 TLB e Cache coesistono vedi figura 524 pag 401 del libro di testo (seconda edizione : Figura 724, pag 417) Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 19 L Tarantino - aa 2011/2012
20 Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 20 L Tarantino - aa 2011/2012
21 Due casi reali Il libro di testo mostra il confronto tra la gerarchia di memoria dell AMD Opteron X4 e dell Intel Nehalem VEDERE paragrafo 510, pag, 432 Calcolatori Elettronici - La memoria virtuale (2) - Slide 21 L Tarantino - aa 2011/2012
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