Operativsystem - Minneshantering I

Transkript

1 Operativsystem - Minneshantering I Mats Björkman

2 Översikt Grundläggande minneshantering (Föreläsning MM I, idag) Problem inom minneshantering Minneshantering och multitasking Hantering av ledigt minne Virtuellt minne (Föreläsning MM II) Paging (sidhantering) Sidfel Sidutbytesalgoritmer Segmentering Operativsystem, Mats Björkman, MDH 2

3 Lärandemål Varför minneshantering? Logisk och fysisk adressrymd Grundläggande minneshantering Operativsystem, Mats Björkman, MDH 3

4 Minneshierarki SNABBARE REGS CACHE PRIMÄRMINNE DISK STÖRRE 4

5 Minneshierarki DYRARE REGS CACHE PRIMÄRMINNE DISK BILLIGARE 5

6 Processens adressrymd abe <_E>: 8abe: mov.w #0x5 8ac2: bsr.+2 (8ac6) Code Data P ac4 <.ef>: 8ac4: rts 00008ac6 <_E_sub>: 8ac6: sub.w r1,r1 8ac8: 1d 01 1d 01 cmp.w r0,r1 8aca: 4e 20 4e 20 bgt.+32 (8aec) 00008dea < data>: 8dea: ff ff ff ff Stack PROCESS m 00008dec <_ExecTask>: dee <_ticks>: 8dee: ff ff ff ff 00008df0 <_x>: df2 <_y>: 8df2: 8d 44 8d 44 Operativsystem, Mats Björkman, MDH 6

7 System med en process i taget (ingen multiprogrammering) User Program 0xFFF Operating System in ROM Device drivers in ROM BIOS User Program Operating System in RAM 0x00 User Program Operating System in RAM Operativsystem, Mats Björkman, MDH 7

8 En process i taget Kan använda fasta adresser, exv. att exekveringen alltid börjar på adress 0 Enkel kompilering, enkel minneshantering Men, endast 1 process och helt statiskt Operativsystem, Mats Björkman, MDH 8

9 Flera processer samtidigt? Om vi vill åstadkomma multiprogrammering behöver vi kunna hantera flera processers minne samtidigt Operativsystem, Mats Björkman, MDH 9

10 Hur hanterar vi flera processers adressrymder samtidigt? 10

11 Grundläggande problem: Skydd Vi måste skydda processers minne från varandra Vi måste även skydda operativsystemets minne från felfungerande eller illasinnade processer Operativsystem, Mats Björkman, MDH 11

12 Grundläggande problem: Effektivitet Om vi implementerar minnesskydd så måste kontrollen av skyddet vara effektiv Hårdvarustöd blir i princip ett krav Tänk er skydd utan hårdvarustöd Operativsystem, Mats Björkman, MDH 12

13 System med multipla processer - En tidig lösning IBM 360-systemet ( ) Process 1 KEY Implementerade multipla processer genom hårdvarustöd CPU 0x Tot: 1MB Process 2 KEY Key for process SR Operativsystem, Mats Björkman, MDH CPU has bit key registers 0x00 Memory divided into 512 2k blocks 13

14 Varför fungerade IBM 360? Nyckeltabellen kunde inte ändras av användarprocessen Statusregistret kunde inte ändras av användarprocessen OS:et tilldelade processen en nyckel, och lagrade samma nyckel för den processens block i tabellen Operativsystem, Mats Björkman, MDH 14

15 Varför fungerade IBM 360? Vid minnesaccesser gjordes automatiskt i hårdvaran en jämförelse mellan nyckeln för sidan och processens nyckel i statusregistret Om inte lika, utlöstes en TRAP Operativsystem, Mats Björkman, MDH 15

16 Relokering i OS 360 För att kunna ha mer än en process i minnet samtidigt, implementerade OS 360 en form av relokering vid laddningen (mer strax) Begränsning: Nyckelns längd (4 bitar) begränsade multiprogrammeringen till max 16 samtidiga processer Operativsystem, Mats Björkman, MDH 16

17 Relokering generellt Om ett program skall flyttas i minnet så måste ibland programmet ändras Att flytta ett program i minnet kallas relokering (relocation) Operativsystem, Mats Björkman, MDH 17

18 Hopproblemet Key for process A Key for process B 0 : : ADD 28 MOV JMP : : CMP JMP KABOOM!!! 0 : : CMP JMP : : ADD 28 MOV JMP Operativsystem, Mats Björkman, MDH 18

19 Hopproblemet - lösning För att lösa hopproblemet här behöver vi ändra adresserna i den process som flyttas Den flyttade processens adresser måste peka till rätt ställe i minnet Operativsystem, Mats Björkman, MDH 19

20 Hopproblemet Key for process A Key for process B 0 : : ADD 28 MOV JMP Operativsystem, Mats Björkman, MDH 0 : : CMP JMP måste i detta fall ersättas med KABOOM!!! 0 : : CMP JMP : : ADD 28 MOV JMP

21 Önskade egenskaper för minnet Transparent relokering (flytt) av program Minnesskydd Stöd för ett stort antal processer För att åstadkomma multiprogrammering Även för att komma förbi det fysiska primärminnets begränsningar Operativsystem, Mats Björkman, MDH 21

22 Önskade egenskaper för minnet Lösningar: Minnesabstraktion: Logisk adressrymd Swappa till sekundärminne (disk) Virtuellt minne (ämnet för nästa föreläsning) Operativsystem, Mats Björkman, MDH 22

23 Logisk adressrymd Minnesabstraktion Program använder inte fysiska adresser, utan logiska Varje program har sin egen logiska adressrymd Varje process startar exv. vid logisk adress 0x00 Förutsätter möjligheten att relokera Operativsystem, Mats Björkman, MDH 23

24 Logisk adressrymd I det tidigare exemplet ses exv. adress 28 i process B som en logisk adress Förr eller senare behöver den dock översättas (bindas) till en fysisk adress (i vårt fall 16412) Operativsystem, Mats Björkman, MDH 24

25 Bindning av adresser Översättning från logiska till fysiska adresser Bindning kan ske vid: Kompilering Laddning Exekvering Operativsystem, Mats Björkman, MDH 25

26 Bindning av adresser Översättning från logiska till fysiska adresser Bindning kan ske vid: Kompilering Laddning Ersätt symboliska adresser (labels) med fysiska adresser Är relokering möjlig med denna approach? Exekvering Operativsystem, Mats Björkman, MDH 26

27 Bindning av adresser Översättning från logiska till fysiska adresser Bindning kan ske vid: Kompilering Laddning Exekvering Ersätt logiska adresser med fysiska adresser i den laddade koden Är relokering möjlig med denna approach? Operativsystem, Mats Björkman, MDH 27

28 Statisk relokering Användes i IBM 360 Avhjälper hopproblemet Vid laddning allokeras minnesblock Koden kopieras från fil till dessa block Alla adresser i koden ersätts med fysiska adresser beräknade för de specifika block som allokerats Operativsystem, Mats Björkman, MDH 28

29 Statisk relokering: nackdelar Långsam laddning, statiskt Laddaren måste kunna veta exakt vilka värden som kommer att användas som adresser Svårt eller omöjligt att göra vissa smarta saker, exv. att beräkna adressen utgående från värden som inte lagrats som adresser Operativsystem, Mats Björkman, MDH 29

30 Bindning av adresser Översättning från logiska till fysiska adresser Bindning kan ske vid: Kompilering Laddning Exekvering Översätt logiska adresser till fysiska i hårdvaran under exekvering Operativsystem, Mats Björkman, MDH 30

31 Exempel: Bas & Limit-register Först använt i superdatorn CDC 6600, och i Intel 8088 (Första PC -processorn) Fysisk adress = adressen i koden + Base Reg. Limit-registret ger minnesskydd Process 1 Limit Base Process 2 Limit Base Operativsystem, Mats Björkman, MDH CPU Limit Base Process 2 exekverar 0 : : CMP JMP : : ADD 28 MOV JMP

32 Bas- och Limit-register Bas- och Limit-registren pekar ut vilket segment av adressrymden som den exekverande processen får accessa Registren kan inte ändras av processen Operativsystem, Mats Björkman, MDH 32

33 Bas- och Limit-register Effektivitetsproblem bas-register: Våra fysiska adresser är summan av basadressen och den logiska adressen För varje minnesaccess krävs alltså en aritmetisk operation (addition) Operativsystem, Mats Björkman, MDH 33

34 Bas- och Limit-register Effektivitetsproblem limit-register: Vi måste gissa hur mycket dynamiskt data som behövs och hur stor stack som krävs för att komma fram till ett bra värde för limit-registret Operativsystem, Mats Björkman, MDH 34

35 Operativsystem, Mats Björkman, MDH 35

36 Processens storlek är dynamisk Allokering av minne för dynamiska data ( heap ) Stackar som växer (och krymper) Detta gör att OS:et måste hålla reda på hur mycket minne som processen använder Operativsystem, Mats Björkman, MDH 36

37 Processer i minnet: exempel Growing area Heap Allokera extra utrymme för: Stack (växer uppåt) Heap (växer nedåt) Size of Proc Growing area Stack Proc2 Heap Stack Size of Proc Proc1 OS 37

38 Stöd för ett stort antal processer: swapping Swappa ut hela processen på disk när den inte kör Variable-sized processes Proc1 P3 D I S K Proc2 Empty OS M E M O R Y Swap-villkor: Processen får inte vänta på interrupts från exv. I/O 38

39 Swapping utan relokerbar kod! PROC A PROC B PROC C PROC A PROC B PROC C OS OS OS OS OS OS Time 39

40 Swapping, multipla processer PROC C PROC C PROC C PROC C PROC C PROC B PROC B PROC B PROC B PROC A PROC A PROC A PROC D PROC D PROC D OS OS OS OS OS OS PROC C PROC D PROC A PROC A PROC B Time 40

41 Hantering av ledigt minne Swapping riskerar att introducera hål i minnet mellan processer Allokeringarna behöver hanteras på något sätt: Bitmap Länkad lista Operativsystem, Mats Björkman, MDH 41

42 Hantering av ledigt minne: Bitmap-exempel Minnets storlek: 32 sidor A B C D E Bitmappens storlek: 32 bitar 8 Bitmap: A B C D E 42

43 Hantering av ledigt minne: Länkad lista-exempel Minnets storlek: 32 sidor A B C D E P 0 5 P 8 6 H 18 2 P 26 3 H 5 3 P 14 4 P 20 6 H

44 Algoritmer för att hitta ledigt minne First-fit Minnet skannas från början till dess ett tillräckligt stort hål hittas Next-fit Som ovan, men skanningen startar från där förra hålet fanns Best-fit Hela minnet skannas, det bästa hålet (så lite för stort som möjligt) används Worst-fit Som ovan men det hål som är störst används Quick-fit Håller listor med hål i vanliga storlekar för snabbare access 44

45 Algoritmer för att hitta ledigt minne: övning Minnet börjar här uppe 10 k 10 k 10 k 10 k 12 k 4 k 4 k 4 k 4 k 10 k k k 20 k k 8 k 8 k 8 k 9 k 9 k 18 k 9 k 7 k 10 k 10 k k 18 8 k 8 k 7 k 7 k 7 k 9 k 9 k 9 k 9 k 12 k 12 k 12 k 12 k 15 k 15 k 15 k 15 9 k 6 k First fit Next fit Best fit Worst fit 45

46 Algoritmer för att hitta ledigt minne First-fit Minnet skannas från början till dess ett tillräckligt stort hål hittas Next-fit Som ovan, men skanningen startar från där förra hålet fanns Best-fit Hela minnet skannas, det bästa hålet (så lite för stort som möjligt) används Worst-fit Som ovan men det hål som är störst används Quick-fit Håller listor med hål i vanliga storlekar för snabbare access 46

47 Fragmentering Extern fragmentering Det finns tillräckligt ledigt minne, men inte sammanhängande Intern fragmentering Allokerat minne används inte 47

48 Fragmentering Extern fragmentering Det finns tillräckligt ledigt minne, men inte sammanhängande Många små oallokerade segment OS 48

49 Fragmentering Extern fragmentering Det finns tillräckligt ledigt minne, men inte sammanhängande Oanvända delar av allokerade segment OS Intern fragmentering Allokerat minne används inte OS 49

50 Extern fragmentering Beroende på algoritm för minnesallokering så får vi mer eller mindre problem med extern fragmentering Worst-fit är bra för att den alltid lämnar stora delar kvar Operativsystem, Mats Björkman, MDH 50

51 Extern fragmentering: åtgärder Ett sätt att komma tillrätta med extern fragmentering är kompaktering Eftersom processerna är relokerbara, så kan vi flytta dem så att allt oanvänt minne hamnar i ena änden av minnesutrymmet Operativsystem, Mats Björkman, MDH 51

52 Kompaktering OS OS Ett enda oallokerat segment 52

53 Kompaktering, kostnad Kompaktering kostar mycket, alla processer behöver relokeras Bättre vore kanske ett system att hantera minnet där alla lediga utrymmen vore lika stora? Detta leder till paging Operativsystem, Mats Björkman, MDH 53

54 Intern fragmentering Problem: Vi har allokerat minne till processen efter en gissning av hur mycket minne vi kommer att behöva Kodsegmentet är inget problem, vi vet vid laddningen hur stor kod vi har Data-/stack-segmenten är däremot problematiska Operativsystem, Mats Björkman, MDH 54

55 Intern fragmentering För att undvika att vi får slut på minne för dynamiska data och stack vill vi gärna ta i lite i överkant för att vara på den säkra sidan Detta ökar på problemet med intern fragmentering Operativsystem, Mats Björkman, MDH 55

56 Intern fragmentering Alternativ: Gör det enkelt att utöka segmenten när så krävs Ett sätt är att allokera i fixa blockstorlekar där blocken inte behöver vara sammanhängande När det behövs mer minne utökas segmentet med ett block till Detta leder till paging Operativsystem, Mats Björkman, MDH 56

57 Paging Våra problem leder oss till att önska oss ett system där processers minnesutrymmen består av block (sidor) av fix storlek, och där det är lätt att lägga till och lämna tillbaks sidor allt efter behov Detta tas upp i nästa föreläsning, virtuellt minne, med fokus på paging Operativsystem, Mats Björkman, MDH 57

58 Lärandemålen igen Varför minneshantering? Logisk och fysisk adressrymd Grundläggande minneshantering Operativsystem, Mats Björkman, MDH 58