Hệ điều hành 1 - Chương 7: Quản lý bộ nhớ doc

Khoa KTMT 9.1 Chương 7. Quản lý bộ nhớ  Khái niệm cơ sở  Các kiểu địa chỉ nhớ (physical address , logical address)  Chuyển đổi địa chỉ nhớ  Overlay và swapping  Mô hình quản lý bộ nhớ đơn giản - Fixed partitioning - Dynamic partitioning - Cơ chế phân trang (paging) - Cơ chế phân đoạn (segmentation) - Segmentation with paging Khoa KTMT 9.2 Khái niệm cơ sở Chương trình phải được mang vào trong bộ nhớ và đặt nó trong một tiến trình để được xử lý Input Queue – Một tập hợp của những tiến trình trên đĩa mà đang chờ để được mang vào trong bộ nhớ để thực thi. User programs trải qua nhiều bước trước khi được xử lý. Khoa KTMT 9.3 Khái niệm cơ sở  Quản lý bộ nhớ là công việc của hệ điều hành với sự hỗ trợ của phần cứng nhằm phân phối, sắp xếp các process trong bộ nhớ sao cho hiệu quả.  Mục tiêu cần đạt được là nạp càng nhiều process vào bộ nhớ càng tốt (gia tăng mức độ đa chương)  Trong hầu hết các hệ thống, kernel sẽ chiếm một phần cố định của bộ nhớ; phần còn lại phân phối cho các process.  Các yêu cầu đối với việc quản lý bộ nhớ - Cấp phát bộ nhớ cho các process - Tái định vị (relocation): khi swapping,… - Bảo vệ: phải kiểm tra truy xuất bộ nhớ có hợp lệ không - Chia sẻ: cho phép các process chia sẻ vùng nhớ chung - Kết gán địa chỉ nhớ luận lý của user vào địa chỉ thực Khoa KTMT 9.4 Các kiểu đòa chỉ nhớ  Đòa chỉ vật lý (physical address) (đòa chỉ thực) là một vò trí thực trong bộ nhớ chính.  Đòa chỉ luận lý (logical address) là một vò trí nhớ được diễn tả trong một chương trình ( còn gọi là đòa chỉ ảo virtual address) – Các trình biên dòch (compiler) tạo ra mã lệnh chương trình mà trong đó mọi tham chiếu bộ nhớ đều là đòa chỉ luận lý – Đòa chỉ tương đối (relative address) (đòa chỉ khả tái đònh vò, relocatable address) là một kiểu đòa chỉ luận lý trong đó các đòa chỉ được biểu diễn tương đối so với một vò trí xác đònh nào đó trong chương trình.  Ví dụ: 12 byte so với vò trí bắt đầu chương trình,… – Đòa chỉ tuyệt đối (absolute address): đòa chỉ tương đương với đòa chỉ thực. Khoa KTMT 9.5 Các kiểu đòa chỉ nhớ (tt)  Khi một lệnh được thực thi, các tham chiếu đến đòa chỉ luận lý phải được chuyển đổi thành đòa chỉ thực. Thao tác chuyển đổi này thường có sự hỗ trợ của phần cứng để đạt hiệu suất cao. Khoa KTMT 9.6 Nạp chương trình vào bộ nhớ  Bộ linker: kết hợp các object module thành một file nhò phân khả thực thi gọi là load module.  Bộ loader: nạp load module vào bộ nhớ chính System library System library System library System library static linking dynamic linking Khoa KTMT 9.7 Cô cheá thöïc hieän linking Module A CALL B Return length L Module B CALL C Return length M Module C Return length N 0 L − 1 Module A JMP “L” Return Module B JMP “L+M” Return Module C Return L L + M − 1 L + M L + M + N − 1 relocatable object modules load module 0 L − 1 0 M − 1 0 N − 1 Khoa KTMT 9.8 Chuyển đổi đòa chỉ  Chuyển đổi đòa chỉ: quá trình ánh xạ một đòa chỉ từ không gian đòa chỉ này sang không gian đòa chỉ khác.  Biểu diễn đòa chỉ nhớ – Trong source code: symbolic (các biến, hằng, pointer,…) – Thời điểm biên dòch: thường là đòa chỉ khả tái đònh vò  Ví dụ: a ở vò trí 14 bytes so với vò trí bắt đầu của module. – Thời điểm linking/loading: có thể là đòa chỉ thực. Ví dụ: dữ liệu nằm tại đòa chỉ bộ nhớ thực 2030 0 250 2000 2250 relocatable address physical memory symbolic address int i; goto p1; p1 Khoa KTMT 9.9 Chuyển đổi đòa chỉ (tt)  Đòa chỉ lệnh (instruction) và dữ liệu (data) được chuyển đổi thành đòa chỉ thực có thể xảy ra tại ba thời điểm khác nhau – Compile time: nếu biết trước đòa chỉ bộ nhớ của chương trình thì có thể kết gán đòa chỉ tuyệt đối lúc biên dòch.  Ví dụ: chương trình .COM của MS-DOS, phát biểu assembly org xxx  Khuyết điểm: phải biên dòch lại nếu thay đổi đòa chỉ nạp chương trình – Load time: tại thời điểm biên dòch, nếu chưa biết quá trình sẽ nằm ở đâu trong bộ nhớ thì compiler phải sinh mã khả tái đònh vò. Vào thời điểm loading, loader phải chuyển đổi đòa chỉ khả tái đònh vò thành đòa chỉ thực dựa trên một đòa chỉ nền (base address).  Đòa chỉ thực được tính toán vào thời điểm nạp chương trình ⇒ phải tiến hành reload nếu đòa chỉ nền thay đổi. Khoa KTMT 9.10 Sinh ủũa chổ tuyeọt ủoỏi vaứo thụứi ủieồm dũch Symbolic addresses PROGRAM JUMP i LOAD j DATA i j Source code Absolute addresses 1024 JUMP 1424 LOAD 2224 1424 2224 Absolute load module Compile Link/Load Physical memory addresses 1024 JUMP 1424 LOAD 2224 1424 2224 Process image [...]... đến được nạp vào bộ nhớ để thực thi  Hiện nay, ít hệ thống sử dụng cơ chế swapping trên Khoa KTMT 9 .19 Minh họa cơ chế swapping Khoa KTMT 9.20 Mô hình quản lý bộ nhớ    Trong chương này, mô hình quản lý bộ nhớ là một mô hình đơn giản, không có bộ nhớ ảo Một process phải được nạp hoàn toàn vào bộ nhớ thì mới được thực thi (ngoại trừ khi sử dụng cơ chế overlay) Các cơ chế quản lý bộ nhớ sau đây rất... nhớ thực được chia thành các khối cố đònh và có kích thước bằng nhau gọi là frame – Thông thường kích thước của frame là lũy thừa của 2, từ khoảng 512 byte đến 16 MB  Bộ nhớ luận lý (logical memory) hay không gian đòa chỉ luận lý là tập mọi đòa chỉ luận lý mà một chương trình bất kỳ có thể sinh ra – Ví dụ 10 00 là một đòa chỉ • MOV REG ,10 00 luận lý – Đòa chỉ luận lý còn có thể được chương trình sinh ra... register,… Khoa KTMT 9.30 Cơ chế phân trang (tt)    Bộ nhớ luận lý cũng được chia thành các khối cố đònh có cùng kích thước gọi là trang nhớ (page) Frame và trang nhớ có kích thước bằng nhau Hệ điều hành phải thiết lập một bảng phân trang (page table) để ánh xạ đòa chỉ luận lý thành đòa chỉ thực – Mỗi process có một bảng phân trang, được quản lý bằng một con trỏ lưu giữ trong PCB Công việc thiết... được nạp vào bộ nhớ chính ⇒ tăng độ hiệu dụng của bộ nhớ (memory utilization) bởi vì các thủ tục không được gọi đến sẽ không chiếm chỗ trong bộ nhớ Rất hiệu quả trong trường hợp tồn tại khối lượng lớn mã chương trình có tần suất sử dụng thấp, không được sử dụng thường xuyên (ví dụ các thủ tục xử lý lỗi) Hỗ trợ từ hệ điều hành – Thông thường, user chòu trách nhiệm thiết kế và hiện thực các chương trình... Best-fit: chọn khối nhớ trống nhỏ nhất – First-fit: chọn khối nhớ trống phù hợp đầu tiên kể từ đầu bộ nhớ – Next-fit: chọn khối nhớ trống phù hợp đầu tiên kể từ vò trí cấp phát cuối cùng – Worst-fit: chọn khối nhớ trống lớn nhất Khoa KTMT 9.29 Cơ chế phân trang (paging)   Cơ chế phân trang cho phép không gian đòa chỉ thực (physical address space) của một process có thể không liên tục nhau Bộ nhớ. .. p d f f 00…00 d f 11 11 p f Nếu kích thước của không gian nhớ thực là 2l bytes, thì mỗi mục của bảng phân trang có l − n bits physical memory page table frame number frame offset f, l-n bits d, n bits Khoa KTMT 9.34 Chuyển đổi đòa chỉ nhớ trong paging Ví dụ: Khoa KTMT 9.35 Hiện thực bảng phân trang  Bảng phân trang thường được lưu giữ trong bộ nhớ chính – Mỗi process được hệ điều hành cấp một bảng... không cần sự hỗ trợ của hệ điều hành Khoa KTMT 9 .16 Cơ chế overlay(tt) Khoa KTMT 9 .17 Cơ chế overlay (tt) Pass 1 Pass 1 Pass 2 Pass 2 70K 70K 80K 80K Symbol table Symbol table Common routines Common routines 20K 20K 30K 30K Assembler Total memory available = 15 0KB Đơn vò: byte symbol table 20K common routines 30K overlay driver 10 K nạp và thực thi pass 2 pass 1 80K 70K Khoa KTMT 9 .18 Cơ chế swapping ... loading – Hệ điều hành chủ yếu cung cấp một số thủ tục thư viện hỗ trợ, tạo điều kiện dễ dàng hơn cho lập trình viên Khoa KTMT 9 .15 Cơ chế overlay    Tại mỗi thời điểm, chỉ giữ lại trong bộ nhớ những lệnh hoặc dữ liệu cần thiết, giải phóng các lệnh/dữ liệu chưa hoặc không cần dùng đến Cơ chế này rất hữu dụng khi kích thước một process lớn hơn không gian bộ nhớ cấp cho process đó Cơ chế này được điều. .. cơ chế kết khối (compaction) để gom lại thành vùng nhớ liên tục  Phân mảnh nội (internal fragmentation) – Kích thước vùng nhớ được cấp phát có thể hơi lớn hơn vùng nhớ yêu cầu  Ví dụ: cấp một khoảng trống 18 ,464 bytes cho một process yêu cầu 18 ,462 bytes – Hiện tượng phân mảnh nội thường xảy ra khi bộ nhớ thực được chia thành các khối kích thước cố đònh (fixed-sized block) và các process được cấp phát... Symbolic addresses PROGRAM 0 JUMP i 10 24 JUMP 400 i 400 LOAD j Physical memory addresses 14 24 LOAD 12 00 Compile JUMP 14 24 LOAD 2224 Link/Load DATA 12 00 j Source code 2224 Relative load module Khoa KTMT Process image 9 .11 Chuyển đổi đòa chỉ (tt)  Execution time: khi trong quá trình thực thi, process có thể được di chuyển từ segment này sang segment khác trong bộ nhớ thì quá trình chuyển đổi đòa chỉ . trong bộ nhớ để thực thi. User programs trải qua nhiều bước trước khi được xử lý. Khoa KTMT 9.3 Khái niệm cơ sở  Quản lý bộ nhớ là công việc của hệ điều hành. cố định của bộ nhớ; phần còn lại phân phối cho các process.  Các yêu cầu đối với việc quản lý bộ nhớ - Cấp phát bộ nhớ cho các process - Tái định vị