Tesina per l esame di Sistemi Operativi a cura di Giuseppe Montano. Prof. Aldo Franco Dragoni

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1 Sistemi operativi real time basati su Linux: gestione delle risorse e dei processi. Tesina per l esame di Sistemi Operativi a cura di. Prof. Aldo Franco Dragoni Corso di laurea in Ingegneria Informatica e dell Automazione. Settembre

2 Gestione della memoria Settembre

3 Tipologie di indirizzi Prima di iniziare l analisi bisogna distinguere 3 tipologie differenti di indirizzi: Indirizzo Logico Lineare Fisico è incluso nelle istruzioni in linguaggio macchina. E costituito da un selezionatore di segmento e un offset che indica la distanza dell istruzione dall inizio del segmento. è costituito da un numero unsigned di 32 bit con il quale si possono indirizzare fino a 4GB. E solitamente rappresentato in forma esadecimale. è utilizzato per indirizzare celle di memoria fisica nei chips. E rappresentato con un numero unsigned di 32 cifre. Settembre

4 Segmentazione in Linux Funzione: la segmentazione divide lo spazio degli indirizzi logici di un programma in porzioni (i segmenti) che corrispondono alle porzioni logiche del programma (una funzione, una tabella di valori, ecc...) Permette di evitare il fenomeno che va sotto il nome di frammentazione interna in quanto ogni segmento è disegnato sulle caratteristiche del codice che deve ospitare. I segmenti vengono archiviati in due tabelle: la GDT (Global Description Table) e la LDT (Local Description Table), la prima per i segmenti comuni a più programmi, la seconda riservata ad ogni programma. int getval() {... } JTable table = new JTable(); Segmento A Segmento B Segmento A Segmento B Memoria Introdotta con la piattaforma 80x86 per spingere i programmatori a suddividere il codice in porzioni logicamente indipendenti, la segmentazione viene utilizzata assai raramente da Linux (solo quando, appunto, la piattaforma lo richiede). Di conseguenza viene utilizzata solo la GDT. Settembre

5 Paginazione in Linux Funzione: la paginazione traduce indirizzi lineari in indirizzi fisici. Confronta il tipo di accesso richiesto con i diritti di accesso dell indirizzo lineare e in caso di indirizzamento non valido genera un Page Fault. Lo spazio degli indirizzi lineari viene suddiviso in porzioni di dimensione di 4KB chiamate pagine (pages). La memoria fisica viene suddivisa in porzioni della stessa dimensione chiamate page frames. Le pagine vengono mappate sulle page frames; tale mappatura viene effettuata per mezzo di una struttura dati chiamata Page Table. Questo meccanismo evita il fenomeno della frammentazione esterna: la memoria appare senza buchi. Global Dir Indirizzo lineare Middle Dir Table Offset Page Page Middle Directory Page Table Page Global Directory cr3 Paginazione a 3 livelli supportata solo da CPU a 64 bit! Settembre

6 Memoria utilizzabile 4 Gb 1 Gb 1 Gb 1 Gb 1 Gb Riservati al kernel Riservati ai processi utente 896 Mb 128 Mb Riservati a permanent kernel mapping, accesso ad aree non contigue (vedi slides successive) Settembre

7 Zone di memoria Limiti imposti dall architettura: i dispositivi ISA utilizzano la DMA (Direct Memory Access) che impone il forte limite di non poter indirizzare memoria oltre i primi 16Mb 128Mb di memoria vanno riservati alla gestione di aree di memoria non contigue il limite dei 4Gb di indirizzamento può essere superato solo se la CPU è a 64bit o se è equipaggiata con il PAE (Physical Address Extension) ed il kernel è compilato con tale supporto 0 16Mb 896Mb ZONA DMA ZONA NORMAL ZONA HIGHMEM RAM E possibile accedere alla zona HIGHMEM solo attraverso permanent/temporary kernel mapping. 896Mb 8Kb 8Kb ZONA HIGHMEM Persistent kernel mapping Fix-mapped linear addresses Aree non contigue Settembre

8 L algoritmo Buddy System E un algoritmo ideato per evitare lo spiacevole fenomeno della frammentazione esterna. Le pagine vuote vengono raggruppate in dieci liste di blocchi che contengono gruppi di 1,2,4,8,16,32,64,128,256 e 512 pagine contigue. Se un programma richiede un blocco di 128 pagine contigue il kernel ne cerca uno di tale grandezza; se non lo trova ne prende uno da 256 pagine e lo divide in due prendendone una parte; se non ne trova uno da 256 ne cerca uno da 128 e così via Il Buddy System rappresenta un ottimo sistema per la gestione di GRANDI blocchi di dati. Purtroppo ha un notevole footprint. Settembre

9 Lo Slab Allocator Il sistema dello Slab Allocator nasce per sopperire alla palese carenza del Buddy System nella gestione dei PICCOLI blocchi di dati. Memoria viene divisa in Cache Cache vengono riempite con Slab Slab Slab contengono Oggetti Un oggetto è composto da dati e da due metodi: un costruttore e un distruttore che servono ad allocare e deallocare la regione di memoria relativa all oggetto. Queste due funzioni vengono richiamate solo quando il sistema ha esplicitamente bisogno di liberare memoria o di allocarne una certa quantità. Lo Slab Allocator è un valido sistema per evitare la frammentazione interna. Settembre

10 Swapping in Linux Attraverso lo swapping viene aumentato lo spazio di indirizzamento, in maniera trasparente al programmatore, oltre la capacità fisica del sistema. L idea di fondo è quella di utilizzare dello spazio su uno o più dispositivi di memorizzazione di massa come estensione della RAM. In Linux viene implementato a livello di paginazione. Pagina Pagina Pagina RAM vengono mappate su Slot Slot Slot Area di swap Slot Slot Hard Disk In caso di più aree di swap Linux instaura una gerarchia basata sulla velocità dei dispositivi. Di norma conviene avere una sola area di swap. Settembre

11 Gestione della memoria in real time 1/2 Gestione veloce e deterministica: in alcune tipologie di sistemi (come quelli embedded) per assurdo la miglior tecnica di gestione della memoria e quella di non implementarne nessuna. In tali sistemi, in cui il flusso di dati da gestire è esiguo, conviene considerare l intera memoria come un blocco unico a disposizione del programmatore. Bloccaggio delle pagine: E impossibile prendere in considerazione, nel campo del real time, tecniche di allocazione delle pagine come il demand paging in quanto inserirebbero una eccessiva componente indeterministica nel sistema. Di conseguenza la pagine relative a processi real time devono essere bloccate e preservate dallo swapping (così come quelle del kernel). Settembre

12 Gestione della memoria in real time 2/2 Allocazione dinamica: l allocazione dinamica di pagine di memoria attuata per mezzo del demand paging è una tecnica che,di norma, viene raramente usata in scenari real time per via della componente indeterministica che la caratterizza: infatti un processo real time potrebbe improvvisamente richiedere una quantità di memoria libera che il kernel non è in grado di fornire dinamicamente. Mappatura della memoria: Di norma un sistema real time non dovrebbe avere dispositivi di memoria lenti. Se purtroppo questi sono presenti a volte si ricorre alla mappatura in RAM per poter velocizzare gli scambi. Tuttavia le operazioni di mapping e unmapping sono di configurazione e percui devono assolutamente essere eseguite all esterno dell operazione real time. Spesso, invece di ricorrere a mappare dispositivi di massa lenti, si consiglia l utilizzo della tecnica del RAM disk. Settembre

13 La memoria condivisa in real time La memoria condivisa rappresenta una delle risorse di miglior livello per l implementazione della comunicazione tra i processi (IPC). E particolarmente utilizzata in real time in quanto tali processi vengono eseguiti in Kernel Mode, quindi hanno accesso diretto allo spazio degli indirizzi del kernel. Kernel Space User Space Processo 1 (real time) Processo 2 (ordinario) Spazio degli indirizzi del processo 2 Spazio degli indirizzi del kernel Mapping L allocazione della memoria condivisa è controversa. Esistono due approcci: allocazione al momento del boot (RTLinux) e allocazione in kernel space (RTAI). Con la prima la dimensione viene impostata al boot (ad es. tramite LILO); nel secondo caso viene allocata al volo, al momento del bisogno (i tempi di configurazione possono essere molto lunghi!). Settembre