VIRTUAALIMUISTI Stallings, Luku 8.1

KJ-I S2003 / Auvo Häkkinen, CT50A2601 / Heikki Kälviäinen

6 - 1

VIRTUAALIMUISTI VIRTUAALIMUISTI Stallings, Luku 8.1Stallings, Luku 8.1

Käyttöjärjestelmät Käyttöjärjestelmät


6 - 2

SisältöSisältö

Ohjelman suoritus virtuaalimuistissa Sivutus Osoitemuunnospuskuri TLB Lisää sivutauluista Segmentointi Segmentointi ja sivutus yhdistettynä Yhteiskäytöstä


6 - 3

Käyttöjärjestelmät IKäyttöjärjestelmät I

OHJELMAN

SUORITUS

VIRTUAALIMUISTISSA


6 - 4

Suoritus virtuaalimuistissaSuoritus virtuaalimuistissa Ohjelman loogiset osoitteet muutetaan

fyysisiksi osoitteiksi vasta ajonaikana prosessin paikka muistissa vaihtelee,

sillä ei vaikutusta osoitemuunnokseen MMU

KJ käsittelee ohjelmaa sivuina tai

kääntäjä jakaa ohjelman segmentteihin, jotka KJ voi sijoitella vapaasti muistiin KJ:n kirjanpito osien sijainnista prosessin

sivutaulussa tai segmenttitaulussa


6 - 5

Suoritus virtuaalimuistissaSuoritus virtuaalimuistissa

Kaikkien sivujen / segmenttien ei tarvitse olla muistissa yhtäaikaa riittää, että suoritettava osa ja sen data muistissa paikallisuus, suoritus viihtyy samoilla alueilla ks. kuva 8.1

Laitteisto (MMU) ja KJ huolehtivat, että tarvittavat osat oikeaan aikaan muistissa MMU huomaa puuttumisen KJ noutaa muistiin

= Virtuaalimuisti


6 - 6

Suoritus virtuaalimuistissaSuoritus virtuaalimuistissa Sivu- / segmenttitaulun alkiossa

läsnäolobitti, josta käy ilmi onko sivu / segmentti muistissa

Lataaja tuo aluksi muistiinvain muutaman sivun / segmentin

(ennaltanouto) tai ei yhtään (tarvenouto)

Prosessi CPU:lle MMU:hun sivu- / segmenttitaulun fyysinen muistiosoiteTLB:n sisällön mitätöinti (Translation Lookaside Buffer, nopea välimuisti

sivutaulujen viimeisimpiin viittauksiin)


6 - 7

Puutoskeskeytys Puutoskeskeytys (memory / page fault)(memory / page fault) Jos viitattu osoite ei ole muistissa,

MMU aiheuttaa keskeytyksen

KJ siirtää keskeytyksen aiheuttaneen prosessin (A) Blocked-tilaan

KJ etsii sivulle / segmentille vapaan paikan muistista

KJ käynnistää ohjaimen siirtämään puuttuvaa sivua / segmenttia ko. paikkaan

Siirron aikana CPU suorittaa muita prosesseja


6 - 8

Puutoskeskeytys Puutoskeskeytys

Kun siirto valmis, ohjain keskeyttää suorituksessa olevan prosessin B

KJ päivittää prosessin A sivu/segmenttitaulunja siirtää prosessin A Ready-tilaan

Suoritus palaa takaisin prosessiin B

Kun prosessi A taas aikanaan suoritukseen, se viittaa uudestaan äskeiseen osoitteeseen nyt viitatun mp:n sisältö muistissa


6 - 9

Virtuaalimuistin etuja Virtuaalimuistin etuja

Muistia käytetään tehokkaammin hyväksi kustakin prosessista vain tarvittava osa muistissa montako sivua/prosessi pidetään muistissa yhtäaikaa?

lokaalit ja globaalit algoritmit

Prosessoria käytetään (kenties) tehokkaammin moniajoastetta voi nostaa

muistiin mahtuu paremmin, ei ruuhkautumista


6 - 10

Virtuaalimuistin etuja Virtuaalimuistin etuja

Voi ajaa fyysistä muistia suurempia ohjelmia ohjelmoijan ei tarvitse huolehtia kerrostuksesta

Osoiteavaruus voi olla valtaisa verrattuna todelliseen muistin määrään esim. 32 bittiä => 4GB:n osoiteavaruus

Looginen osoiteavaruus saa sisältää ‘reikiäkin’ vain tarvittavat osat kuvataan fyysiseen muistiin


6 - 11


SIVUTUS


6 - 12

Sivutus Sivutus Kuva 7.11Kuva 7.11


6 - 13

Sivutaulu Sivutaulu Kuva 8.2aKuva 8.2a

Jokaisella prosessilla oma sivutaulu missä sivutiloissa tämän prosessin sivut sijaitsevat

Jokaisessa alkiossa läsnäolobitti P P=1: sivu muistissa, alkiossa sivutilan numero P=0: sivu ei muistissa, alkiossa esim. Tieto, missä

sivu sijaitsee tukimuistissa (suoraan/epäsuorasti)


6 - 14

SivutauluSivutaulu

Jokaisessa sivutaulun alkiossa muutettu-bitti M (modified) M=1: sivun sisältö muuttunut muistissa, sivu kirjoitettava

levylle, jos varaus vapautetaan M=0: sivua ei muutettu, ei tarvitse kirjoittaa levylle

sivutilaa vapautettaessa Sivutaulun alkiossa mahd. myös muuta tietoa

käyttötapabitti: R / RW suojaustasobitti/bitit: KJ:n sivu / tav. prosessin sivu milloin sivuun viitattu viimeeksi tai viitelaskuri

poistoalgoritmit tarvitsevat näitä


6 - 15

Osoitemuunnos Osoitemuunnos

Prosessien sivutaulut tavallisesti eri kokoisia ja voivat olla suuria koko riippuu sivukoosta ja ohjelman koosta koko taululle ei voi varata tilaa MMU:sta

sivutaulu muistissa ja osa jopa levyllä sivutaulun fyysinen osoite PCB:ssä

MMU:ssa sivutaulurekisteri PTR, jossa suoritettavan prosessin sivutaulun fyysinen alkuosoite


6 - 16

Osoitemuunnos Osoitemuunnos

MMU jakaa loogisen osoitteen pariksi (sivunro,siirtymä) Esim. kun sivukoko 1024 B (= 210)

10 viimeistä bittiä siirtymä alkuosa sivunumero

MMU korvaa sivunumero-bitit sivutaulusta löytyvillä sivutilannumero-biteillä ts. MMU katenoi sivutilanumeron ja siirtymän bitit

Helppo laitetoiminto


6 - 17

Looginen vs Fyysinen osoite Looginen vs Fyysinen osoite Kuva 7.12Kuva 7.12

= 1502= 1502

6*1024 + 478 6*1024 + 478

474788

66

11

= 6766= 6766


6 - 18

Osoitemuunnos Osoitemuunnos Kuva 8.3Kuva 8.3


6 - 19


Osoitemuunnospuskuri

TLB


6 - 20

Osoitemuunnospuskuri TLBOsoitemuunnospuskuri TLB Koska sivutaulu muistissa, jokaiseen

muunnokseen näyttäisi liittyvän yksi ylimääräinen muistinouto hae sivutaulun alkio MMU:hun tee osoitemuunnos nouda / talleta ko. fyysiseen osoitteeseen

Ratkaisu: osoitemuunnospuskuri TLB Translation Lookaside Buffer

MMU pitää tallessa edellisissä muunnoksissa tarvitut sivutaulun tiedot paikallisuus: sitä tarvitaan het’kohta uudestaan sivutaulun alkiota ei tarvitse noutaa joka kerta


6 - 21

Etsintä TLB:stä Etsintä TLB:stä TLB nopeiden rekistereiden joukko

esim. 32 rekisteriä Käyttää assosiatiivista hakua

vertailu kohdistuu kaikkiin alkioihin yhtäaikaa etsintä nopeaa laitetoiminto!

Kaikilla prosesseilla sivut 0, 1, 2, …, mutta eri sivutiloissa TLB tyhjennettävä prosessin vaihdossa

TLB:n alkiossa (ainakin) sivunro, sivutaulun alkio, validibitti V


6 - 22

Etsintä TLB:stäEtsintä TLB:stä KKuva 8.uva 8.99

Kuva 8.8. Kuva 8.8.

PerformPerformpage page

replacementreplacement


6 - 24

TLB ja osoitemuunnosTLB ja osoitemuunnos

sivunro = loog. osoitteen alkubititsiirtymä = loog. osoitteen loppubitit

Jos sivun tiedot ei TLB:ssä tai V=0,nouda TLB:hen sivutaulun alkio

osoitteesta PTR + sivunro

Jos P=0, aiheuta sivunpuutoskeskeytys

Fyys.os = Katenoi(Sivutilanro,Siirtymä)

Kun keskeytys käsitelty, sama osoite tulee viitattavaksi uudelleen Esim. PC:n kasvatus vasta osoitemuunnoksen jälkeen


6 - 25

TLB ja osoitemuunnos TLB ja osoitemuunnos Kuva 8.7Kuva 8.7


6 - 26

TLB:n alustusTLB:n alustus Kun suoritettava prosessi vaihtuu,

TLB:n vanha sisältö mitätöitävä PTR osoittamaan uuden prosessin sivutauluun nollattava TLB:n alkioiden validibitit V=0

Koska TLB suhteellisen pieni, tarvitaan sopiva laitetason algoritmi, jonka perusteella valitaan korvattava alkio TLB:n alkiossa mahd. myös laitetason viitelaskureita:

poista se, jota ei ole aikoihin käytetty


6 - 27

TLB ja välimuisti TLB ja välimuisti Kuva 8.10Kuva 8.10


6 - 28


Lisää sivutauluista


6 - 29

Lisää sivutauluistaLisää sivutauluista Monet järjestelmät sallivat suuren

virtuaaliosoiteavaruuden looginen osoite esim. 32 tai 64 bittiä

Jokaisella prosessilla suuri sivutaulu jos 32-bittinen osoite ja sivukoko 4KB (12 bittiä),

niin sivuja 220 = 1M kappaletta jokainen alkio useita tavuja, esim. 4 B,

joten sivutaulu 4 MB

Myös sivutaulu jaetaan sivuihin ja myös sivutaulun osia voidaan pitää levyllä riittää, kun suorituksessa olevaan osaan

liittyvät sivut muistissa


6 - 30

2-tasoinen sivutaulu 2-tasoinen sivutaulu Kuva 8.4Kuva 8.4

Ylin hakemisto mahtuu yhteen sivuun, pysyvästi muistissa

1 K alkiota (= 1024 = 210)

1K * 1K = 1M alkiota


6 - 31

2-tasoinen sivutaulu 2-tasoinen sivutaulu Kuva 8.5Kuva 8.5


6 - 32

Käänteinen sivutaulu Käänteinen sivutaulu

Fyys. muisti pienempi kuin virtuaaliavaruus Kirjaa sivutilakohtaisesti, mikä sivu sijaitsee

ko. sivutilassa vain yksi globaali käänteinen sivutaulu yksi alkio per fyysinen sivutila,

jossa ko. sivutilassa sijaitsevan sivun numero Jokaisella prosessilla sivu 0, 1, 2, ...

miten tiedetään, minkä prosessin sivu kyseessä? alkiossa myös prosessin numero (pid) MMU:hun rekisteri, jossa suoritettavan prosessin pid


6 - 33

Käänteinen sivutaulu Käänteinen sivutaulu

Käänteisen ST:n indeksit sivutilan numeroita, mutta prosessin osoitteesta käy ilmi sivunumero ja siirtymä etsittävä sisällön perusteella

Etsintä peräkkäishakuna tehotonta Käytetään apuna hajautustaulua

käytä hajautinta indeksin laskentaan, etsi kotisolusta samaan hajautusosoitteeseen kuvautuvat alkiot linkitetty

toisiinsa Jos sivun tiedot ei listassa,

aiheuta sivunpuutoskeskeytys


6 - 34

Käänteinen sivutaulu Käänteinen sivutaulu KKuva 8.uva 8.66

(Täydennetty)


6 - 35

Sopiva sivukoko? Sopiva sivukoko? Laitteisto (MMU) määrää mitä sivukokoa

KJ:n käytettävä sivukoko aina 2:sen potenssi

nopea osoitemuunnos katkaisu ja katenointi helppoa

Mitä pienemmät sivut, sitä enemmän sivuja/prosessi = suuremmat sivutaulut pienempi sivutaulu vie vähemmän tilaa ison sivutaulun osia useammin levyllä

enemmän keskeytyksiä


6 - 36

Sopiva sivukoko? Sopiva sivukoko? Pieni: aiheuttaa vähän sisäistä

pirstoutumista

Iso: sisältää paljon esim. tarpeetonta koodia

Iso: saattaa sopia paremmin yhteen levysiirtojen kanssa (lohkokoko)

hakuvarren siirto ja pyörähdysviive syö paljon aikaa

Iso: viittaus useammin samalle sivulle TLB:n osumatodennäköisyys hyvä


6 - 37

Sivupuutosten määräSivupuutosten määrä Prosessille varatulle

alueelle sopii enemmän pieniä sivuja kuin suuria

Pieneltä sivulta viite usein muille sivuille, muistiin valikoituu pian ne sivut joita käytetään paljon vähän sivupuutoksia

Tn. että isolta sivulta viitattu sivu muistissa pienempi paljon sivupuutoksia

Kun sivukoko lähestyy prosessin kokoa, vähän sivupuutoksia P=prosessin koko


6 - 38

Sivupuutosten määrä Sivupuutosten määrä Paljonko sivutiloja

per prosessi?

Jos vähän sivutiloja, KJ heittää helposti pois sivun, jota tarvitaan pian uudelleen paljon sivupuutoksia

Jos saa paljon, niin lähes kaikki sivut mahtuvat muistiin vähän sivupuutoksia

lokaalit vs. globaalit algoritmitW = working set size

N = total # of pages in process


6 - 39

Sopiva sivukoko? Sopiva sivukoko?

Yleisimmin käytetty sivukoko 4KB ks. myös taulukko 8.2

Tämä ei sovellu kaikkiin tarpeisiin, eräät prosessorit sallivat useita sivukokoja Pentium sallii 2 kokoa: 4KB tai 4MB MIPS peräti 7 eri koko: 4KB ..16MB


6 - 40

Erilaisia sivukokojaErilaisia sivukokoja


6 - 41


SEGMENTOINTI


6 - 42

Segmentointi Segmentointi Kuva 7.11Kuva 7.11


6 - 43

Segmentointi Segmentointi

Perusideoiltaan samanlainen kuin sivutus, ‘yksiköt’ vain keskenään erikokoisia segmenttejä

Jokaisella prosessilla oma segmenttitaulu Kertoo missä tämän prosessin segmentit sijaitsevat

Osoitemuunnos segmenttitaulun avulla

TLB:n käyttö kuten edellä

MMU:n rekisterissä nyt segmenttitaulun fyysinen osoite


6 - 44

Segmenttitaulu Segmenttitaulu Kuva 8.2bKuva 8.2b

Jokaisessa alkiossa läsnäolobitti PP=1: segmentti muistissa,

alkiossa fyysinen alkuosoite sekä pituusJokaisessa alkiossa muutettu-bitti M

kuten sivutaulussa

Jokaisessa alkiossa myös muuta tietoakuten sivutaulussa


6 - 45

Looginen vs Fyysinen osoiteLooginen vs Fyysinen osoite

= 4848 = 4848

82248224

8976 8976 ==

757522


6 - 46

OsoitemuunnosOsoitemuunnossegm.nro = loog. osoitteen alkubititsiirtymä = loog. osoitteen loppubitit

Jos segmentin tiedot ei TLB:ssä tai V=0, nouda TLB:hen segmenttitaulun alkio

osoitteesta STR + segm.nro

Jos P=0, aiheuta segm.puutoskeskeytys

Jos siirtymä > Length,aiheuta keskeytys ‘virh.muistiosoite’

fyys. osoite = Base + Siirtymä

Kun keskeytys käsitelty, sama osoite tulee viitattavaksi uudelleen


6 - 47



6 - 48

Huomioita Huomioita Segmenttitaulun alkiossa alkuosoite ja

pituus segmentin kokoa helppo kasvattaa/pienentää

dynaamisesti saattaa vaatia segmentin uudelleensijoittamista

osoitteen oikeellisuus tarkistettavissa MMU:ssa Segmentit erikokoisia,

syntyy ulkoista pirstoutumista Varaus/vapautus ei niin tehokasta kuin sivuilla Muistin tiivistämistarvetta

Segmentti sopiva suojauksen yksikkö ohjelmoija määrittelee segmentit ja käyttöoikeudet käyttötapa kopioitu segmenttitaulun alkioon


6 - 49


Segmentointi ja sivutus yhdistettynä


6 - 50

Sivuttava segmentointiSivuttava segmentointi

Eräät laitteistot ja KJ:t jakavat myös segmenttejä sivuiksi, ohessa eräs tapa muistia helpompi hallita samankokoisina sivuina ei ulkoista pirstoutumista ei tiivistämistarvetta

Jokaisella prosessilla oma segmenttitaulu ja yksi sivutaulu per segmentti

Vrt. 2-tasoinen sivutaulu


6 - 51

Sivuttava segmentointi Sivuttava segmentointi Tan01 4-39Tan01 4-39

PCB

Segmenttitaulu


6 - 52

Sivuttava segmentointiSivuttava segmentointi Looginen osoite jakautuu nyt kolmeen osaan

segmenttinumero segmentin sivutaulun fyysinen osoite

löytyy segmenttitaulun tästä alkiosta sivunumero

sivunumeroa vastaava sivutilan numero

löytyy sivutaulun tästä alkiosta siirtymä

sivulla viitattu sana näin kaukana sivun alusta

Myös segmenttitaulua / sivutaulua voidaan sivuttaa


6 - 53

Sivuttava segmentointiSivuttava segmentointi Kuva 8.2cKuva 8.2c

Segmentin alkuosoitteen (segment base) paikalla ko. segmentin sivutaulun fyysinen osoite

P-bitti ja M-bitti vain sivutaulun alkiossa Yhteiskäytön ja suojauksen data

luonnollisimmin segmenttitaulun alkiossa oikeudet annettu koko segmenttiin (sen kaikkiin sivuihin)


6 - 54



6 - 55

Hyötyjä Hyötyjä Ratkaisee dynaamisen linkittämisen

ongelmakohdat uuden segmentin (dynaaminen) linkittäminen

tarkoittaa vain uuden alkion lisäämistä segmenttitauluun

Segmentin koko voi kasvaa sivu kerrallaan, eikä segmentille tarvitse etsiä uutta paikkaa fyysisessä muistissa

Yhteiskäyttö ja käyttöoikeudet voi määrittää segmenttikohtaisiksi kauniisti loogisten kokonaisuuksien mukaan useita erilaisia suojaustasoja


6 - 56


Yhteiskäyttö


6 - 57

Yhteiskäyttö Yhteiskäyttö

Jos usea prosessi ajaa samaa koodia, riittää siitä yksi kopio muistissa jokaisen prosessin sivu / segmenttitaulussa

viitteet yhteisen koodin ja datan

sisältäviin sivutiloihin / segmentteihin mutta kullakin prosessilla omat tilat yksityiselle datalle

Koodin oltava vapaakäyntistä ei saa muuttua

Sivutus ei paras tapa yhteiskäyttöä ajatellen: sivu ‘kokoyksikkö’, ei looginen yksikkö käyttöoikeudet vaikea rajata funktiotasolla


6 - 58

Yhteiskäyttö: editori Yhteiskäyttö: editori Tan01 4-31Tan01 4-31


6 - 59

Segmentointi ja yhteiskäyttö Segmentointi ja yhteiskäyttö Segmentointi kaunis tapa yhteiskäyttöä

ajatellen ohjelman jakaminen eripituisiin segmentteihin

loogisempaa kuin jakaminen tasapitkiksi sivuiksi esim. yhteiskäyttöön tarkoitettu data omaksi

segmentiksi, yksityinen data omaksi segmentiksi Ohjelmoija kertoo kääntäjälle

haluamastaan segmenttijaosta haluamistaan käyttöoikeuksista

Kääntäjä muodostaa tällä perusteella ohjelman loogiset osoitteet segmentti ja siirtymä sen sisällä


6 - 60

Toteutuksessa huomioitavaaToteutuksessa huomioitavaa Työjoukon koko

paljonko tilaa varataan per prosessi? Hakupolitiikka

milloin sivu / segmentti tuodaan muistiin? Sijoituspolitiikka

minne prosessin sivu / segmentti sijoitetaan? Poistopolitiikka:

mikä varaus vapautetaan? globaali/lokaali: joku sivu / joku prosessin oma sivu?


6 - 61

Yhteenvetoa Yhteenvetoa ks. Taulukko 8.1

Sivutus Segmentointi

Keskusmuisti jaettu vakiokokoisiin sivutiloihin

KJ jakaa prosessin vakiokokoisiin sivuihin

Ohjelmoija/kääntäjä jakaa prosessin vaihtelevankokoiset segmentteihin

Prosessikohtaiset sivutaulut: missä sivutilassa sivu sijaitsee

Prosessikoht. segmenttitaulut: segmentin alkuos. ja pituus

Virtuaaliosoite: (sivu, siirtymä) Virtuaalios.: (segmentti, siirtymä)

Sisäistä pirstoutumista Ulkoista pirstoutumista muistin tiivistämistarve

Vapaiden sivutilojen lista Vapaiden muistialueiden lista

Kaikki sivut ei muistissa: läsnäolobitti sivutaulun alkiossa

Kaikki segmentit ei muistissa läsnäolobitti seg.taulun alkiossa


6 - 62

KertauskysymyksiäKertauskysymyksiä Miten paikallisuus ja virtuaalimuisti

liittyvät toisiinsa? Mitä tietoa on talletettava sivutauluun?

Entä segmenttitauluun? Miksi segmentointi aiheuttaa muistin

tiivistämistarvetta, mutta sivutus ei? Miksi osoitemuunnos vasta ajoaikana? Mitä hyötyä on TLB:n käytöstä? Mitä on TLB:n sisältönä?

Documents

VIRTUAALIMUISTI Stallings, Luku 8.1