Tema 5: Gestin de Memoria

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Tema 5 Gestión de Memoria

• 1.- Introducción
• 2.- Requisitos de la Gestión de Memoria
• 3.- Direccionamiento
• 3.1.- Correspondencia estática en tiempo de
  compilación
• 3.2.- Correspondencia estática en tiempo de carga
• 3.3.- Correspondencia estática en tiempo de
  ejecución
• 3.4.- Espacio de direcciones lógicas versus
  físicas
• 4.- Gestión de la memoria
• 4.1 Asignación contigua
• 4.1.1 Monitor de un solo proceso
• 4.1.2 Múltiples particiones
• 4.2 Asignación no contigua
• 4.2.1 Paginación
• 4.2.2 Segmentación
• 4.2.3 Segmentación paginación

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1. Introducción

• Memoria Principal
• Área de almacenamiento dividido en unidades a las
  que se puede referenciar a través de una
  dirección.
• Recurso básico Para que un programa se ejecute
  debe encontrarse en memoria principal, al menos,
  una parte
• Gestor de Memoria
• Parte del Sistema Operativo que se encarga de las
  tareas relacionadas con la administración de la
  Memoria Principal.
• Dependencia total del Hardware
• Según sea este, será el tipo de gestión de
  memoria
• Tareas del Gestor de Memoria
• Asignación de Memoria Principal a los procesos
  que la solicitan
• Localización de espacios libres, y ocupados
• Aprovechamiento máximo de dicha memoria
• Relación con otras partes del sistema operativo
• Planificadores

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2. Requisitos de un Sistema de Gestión de Memoria

• Reubicación o Correspondencia
• El programador debe trabajar al margen de la
  localización de su código en memoria
• El gestor de memoria (HWSW) debe establecer la
  correspondencia de direcciones lógicas y físicas
• Protección
• El gestor de memoria debe proteger las zonas
  asignadas a cada proceso de accesos por parte de
  terceros.
• Compartición
• El gestor de memoria debe permitir compartición
  de memoria entre varios procesos.
• Organización lógica
• El gestor de memoria debe comprender la
  organización lógica formada por módulos que
  tienen los programas (texto, datos,
  procedimientos, pila...)
• Organización física
• Debe encargarse de la localización de espacios
  libres en memoria principal donde cargar los
  programas.
• Debe poder proporcionar un mecanismo para poder
  ejecutar programas cuyo tamaño supere el de la
  propia memoria principal (Memoria Virtual)

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3. Direccionamiento3.1. Correspondencia estática
en tiempo de compilación
Programa Fuente
Compilación y Enlazado
Ejecutable
Direcciones reales
Módulo de Carga
Proceso en Memoria
Direcciones reales
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3.2 Correspondencia estática en tiempo de carga
Programa Fuente
Compilación y Enlazado
Direcciones relativas al comienzo del programa
Ejecutable
Módulo de Carga
Direcciones relativas al comienzo del programa
Proceso en Memoria
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3.3 Correspondencia estática en tiempo de
ejecución
Programa Fuente
Compilación y Enlazado
Direcciones relativas al comienzo del programa.
Ejecutable
Módulo de Carga
Direcciones relativas al comienzo del programa.
Proceso en Memoria
Mueve proceso a otra zona de memoria
Reubicador
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3.4. Espacio de direcciones lógicas versus físicas

• Dirección lógica
• Referencia a posición de memoria independiente de
  la asignación actual de datos
• Generada por la CPU
• Espacio de direcciones lógicas
• Conjunto de direcciones generadas por un programa
• Dirección física
• Designa posición real de la memoria principal
• Aquella cargada en el registro de direcciones de
  la memoria
• Espacio de direcciones físicas
• Conjunto de posiciones de memoria
  correspondientes a las direcciones lógicas

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4. Gestión de la memoria

• Evolución histórica de métodos de organización
  hasta llegar a la Memoria Virtual
• Esquemas de asignación
• Memoria Real
• Asignación contigua
• Sistemas de un solo proceso
• Sistemas de multiprogramación
• Con particiones fijas
• Código absoluto
• Código reubicable
• Con particiones variables
• Asignación no contigua
• Paginación simple
• Segmentación simple
• Segmentación paginación simple
• Memoria virtual
• Paginación por demanda
• Segmentación por demanda

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4.1. Asignación contigua de memoria

• 4.1.1. Monitor de un solo proceso
• Dos áreas contiguas
• Sistema Operativo (parte residente) (monitor)
• Situado habitualmente en la parte inferior
• Donde residen los vectores de interrupción
• Área de procesos transitorios
• Se coloca un único proceso de usuario
• Se elimina cuando finaliza y antes de cargar otro
• Protección
• Sistema operativo - Procesos del usuario
• Posibles accesos accidentales o malintencionados
  a datos del S.O.
• Un modo de protección
• Registro límite y registro de relocalización
• Se comprueba cada dirección generada por la CPU

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4.1.2. Múltiples Particiones

• Multiprogramación ? Necesidad de varios procesos
  en memoria simultáneamente
• Dos modos de asignación Particiones fijas y
  Variables
• Particiones fijas
• División de la memoria en varios trozos
  (particiones)
• Tamaño diferente de las particiones
• Tamaño fijo de las particiones (inamovible)
• Único proceso por partición con tamaño ?
  partición
• Estructuras de datos para la gestión de
  particiones fijas
• Tabla de descripción de particiones
• Estado (libre/asignada)
• Base de la partición
• Tamaño de la partición
• Estrategia de asignación
• Primer ajuste, Mejor ajuste, Peor ajuste
• Qué hacer si no hay particiones libres
• Esperar a la finalización de algún proceso
• Intercambio
• Protección entre procesos

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• Grado de multiprogramación.
• Limitado al número de particiones
• Fragmentación Interna
• Dentro de cada partición queda una zona de
  memoria no aprovechable
• El proceso es más pequeño que la partición
• No se puede asignar a ningún otro proceso
• Es posible que procesos esperando entrar en
  memoria no tengan partición a pesar de haber
  espacio libre para ellos
• Ejemplo
• OS/MFT (Multiprogramación con nº fijo de tareas)

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Particiones variables

• Las particiones son variables en número y
  longitud
• Inicialmente la memoria sólo contiene el sistema
  operativo
• A cada proceso se le asigna la memoria que
  necesita exactamente
• Estructuras de datos para gestionar la memoria
• Mapa de bits
• División de memoria en pequeñas unidades libres u
  ocupadas
• Lista de procesos y huecos
• Lista única
• Lista de procesos y lista de huecos
• Sistema de los asociados (Knuth 1973)
• División de memoria en bloques potencia de 2
• Se compactan 2 bloques adyacentes del mismo
  tamaño
• Agiliza la fusión de huecos
• Algoritmos de asignación de particiones
• Primer ajuste, Mejor ajuste y Peor ajuste
• Qué hacer si no hay particiones libres
• Esperar a la finalización de algún proceso
• Intercambio

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-

• Condensación de huecos
• Unión de huecos adyacentes al liberar un proceso
• Compactación
• Movimiento de procesos en la memoria para unir
  huecos dispersos y crear huecos de mayor tamaño

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4.2. Asignación no contigua de memoria

• El espacio de direcciones lógico de un proceso se
  reparte entre diferentes zonas de la memoria
  principal
• Métodos de organización
• Paginación simple
• Segmentación simple
• Segmentación paginación simple
• 4.2.1. Paginación simple
• División de la memoria principal en bloques de
  igual tamaño denominados marcos
• División del espacio de direcciones de un proceso
  en bloques de igual tamaño denominados páginas.
• Marcos y páginas tienen el mismo tamaño
• Carga de un proceso en memoria
• Se van asignando marcos libres a páginas del
  proceso
• No tienen por qué ser consecutivos.
• La paginación no es visible al programador
• Se elimina la fragmentación externa
• La fragmentación interna sólo se produce en la
  última página
• Páginas pequeñas
• Reducen la fragmentación interna
• Aumentan tamaño de tabla de páginas

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4.2.1. Paginación Simple

• Estructuras de datos
• Tabla de Páginas ? Una por cada proceso
• Entrada tabla páginas ? Una por cada página del
  proceso
• Guarda el número de marco donde se guarda la
  página cuyo número coincide con el índice
• Posibilidad de campo para página válida/inválida
• otros posibles campos
• Bit de modificación
• Bits de protección (lectura, escritura)
• Bits de Página referida
• Tabla de marcos ? Una entrada por cada marco de
  memoria física
• Empleada por el S.O. para la gestión de memoria
• Indica si el marco está libre o asignado y a qué
  página de qué proceso

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• Direccionamiento
• Dirección lógica Nº Página Desplazamiento
• Tamaño de página potencia de 2
• Direccionamiento más sencillo
• Fácil Traducción
• Dirección lógica y relativa (respecto al inicio )
  coinciden
• Traducción de direcciones lógicas a físicas
• MMU realiza traducción
• Accede a tabla de páginas del proceso actual
• Proceso de traducción ( Ver figura página 23)
• Obtener nº página de los n bits más
  significativos de la dirección y desplazamiento
  de los m menos significativos

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• Soporte Hardware de tabla de páginas
• Registros dedicados
• Gran velocidad para traducción de direcciones
• Muy caro, útil solamente cuando las tablas son
  pequeñas
• Memoria principal
• La tabla de páginas se almacena en memoria
• RBTP Registro Base de la Tabla de Páginas
  almacena un puntero a la tabla de páginas del
  proceso en ejecución
• Para acceder a una dirección necesita 2 accesos a
  memoria
• Acceso a entrada en tabla de páginas
• Acceso a dirección deseada
• Mucho más lento el proceso de traducción
• Registros asociativos (TLB)
• Memoria cache especial de alta velocidad
• Registro clave - valor (nº página - nº marco)
• Se comparan todas las claves simultáneamente
• Búsqueda rápida, hardware caro Nº entradas de 8
  a 2048
• Solución
• TLB contiene unas pocas entradas de tabla de
  páginas
• Si el marco está en la TLB, se coge

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Traducción de direcciones lógicas a físicas
mediante tabla de páginas
Búsqueda directa y asociativa en entradas en la
tabla de páginas
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• Tablas de páginas multinivel
• Utilizadas por la mayoría de los sistemas de
  paginación.
• Las tablas de páginas pueden ser muy grandes ?
  Las tablas están sujetas también a paginación.
• Esquema de dos niveles
• Nivel 1 Tabla de páginas para acceso a la tabla
  de páginas del proceso
• Nivel 2 Tabla de páginas del proceso
• Traducción de direcciones
• Dirección lógica (32 bits) número de página (20
  bits) desplazamiento (12 bits)
• Nº página (20 bits) p1 (10 bits) p2 (10 bits)
• p1 - índice a tabla de páginas exterior
• p2 - desplamiento en tabla de páginas exterior

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Tabla de páginas de dos niveles
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• Tabla de páginas invertida
• Sólo una tabla de páginas en el sistema con
  tantas entradas como marcos haya
• Entrada dirección virtual de página (nº de
  página) y pid del proceso
• El índice nos devuelve nº de marco donde está la
  página
• Compartición de páginas
• Es necesario a veces compartir datos entre
  procesos
• Página como unidad de compartición

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4.2.2. Segmentación

• Paginación
• Espacio de direcciones unidimensional 0 ? Máxima
  
• Segmentación
• Espacio de direcciones bidimensional
• Proceso dividido en Segmentos
• Cada segmento 0 ? Máxima
• Cada segmento utiliza zonas de memoria contigua
• No necesitan estar juntos en memoria
• Visión de la memoria igual que el usuario
• Programa conjunto de segmentos
• Se produce fragmentación externa

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• Estructuras de Datos
• Tabla de segmentos
• Una tabla por proceso
• Una entrada por cada segmento
• Dirección base y límite (o longitud) del segmento
  
• Bit de modificación desde su carga en memoria
• Otros bit de protección (R/W, ...) o de
  compartición
• Lista de bloques libres
• Zonas libres existentes en memoria
• Direccionamiento
• Dirección lógica Nº Segmento desplazamiento
• Traducción de direcciones
• Se realiza dinámicamente en cada referencia a
  memoria
• Necesita un hardware especial que realiza la
  traducción
• Nº segmento dirección lógica ? índice tabla
  segmentos
• Dirección física Dirección base de la entrada
  desplazamiento de la dirección lógica

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• Soporte hardware de la tabla de segmentos
• Registros
• Muy rápida
• Muy cara
• Memoria principal
• Registro base de la tabla de segmentos
• Registro longitud de la tabla de segmentos
• Dos referencias a memoria por cada dirección
  lógica
• A la entrada en la tabla de segmentos
• A la dirección deseada

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• Facilita la compartición
• Se comparten unidades lógicas, segmentos,
  permitiendo compartir datos, programas,
  subrutinas, etc.
• Facilita la protección
• Se puede asociar a cada segmento uno o varios
  bits de protección
• Facilita la ampliación de memoria.
• Si esta estructura se encuentra en un segmento
  específico para ella, basta con ampliar el tamaño
  del segmento

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4.2.3. Segmentación con paginación

• Paginación
• Elimina fragmentación externa
• Aprovecha eficientemente la memoria
• Segmentación
• Visible al programador
• Soporte para compartición y protección
• Segmentación con paginación
• Combina las ventajas de ambas
• Método básico
• División del espacio de direcciones del usuario
  en segmentos
• División de cada segmento en páginas
• Dirección lógica
• Desde el punto de vista del usuario
• Número de segmento desplazamiento
• Desde el punto de vista de la máquina
• Nº segmento nº página desplazamiento
• Estructuras de datos utilizadas
• Cada proceso
• Una tabla de segmentos

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• Traducción de direcciones