Chiến Lược Quản Lý Bộ Nhớ Của Bộ Vi Xử Lý Amd Và Hệ Điều Hành Ios.pdf

1.2 Nhiệm v c a quụ ủ ản lý bộ nhớ Trong các hệ thống đơn chương trình uniprogramming, trên bộ nhớ chính ngoài hệ điều hành, chỉ có một chương trình đang thực hiện.. Trong các hệ thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ BỘ NHỚ CỦA BỘ VI XỬ

LÝ AMD VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH IOS

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tuấn Khải

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin trân trọng cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy Phạm Đăng Hải – Giảng viên Viện Công nghệ thông tin & Truyền thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giáo viên hướng dẫn bài tập lớn đã nhiệt tình giảng dạy, hướng dẫn, chỉ bảo

Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện sản phẩm nhưng không thể tránh khỏi những thiếu hụt về kiến thức Em mong muốn nhận được những nhận xét thẳng thắn, chi tiết đến từ thầy để tiếp tục hoàn thiện hơn nữa Cuối cùng,

trong suốt quá trình hoàn thiện bài tập lớn Xin trân trọng cảm ơn thầy

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2023 Sinh viên Nguyễn Tuấn Khải

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

Chương 1 Giớ i thi ệu đề tài

1.1 Tổng quan đề tài

• Chip AMD là dòng chip máy tính do thương hiệu AMD sản

xuất Đây được xem là thương hiệu sản xuất chipset đứng thứ hai

trên thế giới, ước tính chỉ sau Intel Tên AMD được vi t t t t cế ắ ừ ụm

nhưng không dùng chung bo mạch chủ Ngoài ra, những vi xử lý

vi xử lý đồ ọ h a thành duy nh t m t con chip ấ ộ

• iOS (iPhone Operating System) là hệ điều hành được Apple phát triển độ ậc l p và ch s d ng cho phỉ ử ụ ần cứng của iPhone, iPAD, iPod touch iPhoneOS là cái tên đầu tiên của h điều ệhành này và đến tháng 6/2010, Apple đã chính thức đổi tên thành iOS như bây giờ Khi sử dụng h điều hành này, người dùng ệ

được phép ch m, vu t, thu, phóng đa c m ứng trên màn hình ạ ố ảđiện tho iạ Để nâng cao tr i nghiệm cả ủa người dùng trong quá trình s d ng, Apple luôn gử ụ ửi đến người dùng các phiên bản mới nhất của hệ điều hành iOS

1.2 Nhi m vệ ụ đề tài

và hệ điều hành IOS

Chương 2 Chiến lược quản lý bộ nhớ của vi xử lý AMD

Chương 3 Chiến lược quản lý bộ nhớ của hệ điều hành IOS

Chương Kết luận và hướng phát triển4

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

Chương 2 CHI ẾN LƯỢ C QUẢN LÝ BỘ NHỚ

C A AMD Ủ

1.1.Khái niệm cơ bản

Sản phẩm chip AMD (Advanced Micro Devices) ra đờ ải, s n xu t và ấphát tri n t i tể ạ ập đoàn đa quốc gia AMD Tập đoàn nổ ếi ti ng nh sờ ản xuất linh kiện bán d n tích hẫ ợp Đặ ạt t i Santa Clara, California, Texas

và Austin, tập đoàn này nổ ếi ti ng v i các linh ki n bán d n tích h p ớ ệ ẫ ợChip AMD c a hãng là b vi x lý c a máy tính, c nh tranh tr c tiủ ộ ử ủ ạ ự ếp với đối thủ Intel

1.2 Nhiệm v c a quụ ủ ản lý bộ nhớ

Trong các hệ thống đơn chương trình (uniprogramming), trên bộ nhớ chính ngoài hệ điều hành, chỉ có một chương trình đang thực hiện Trong các hệ thống đa chương trình (multiprogramming), trên bộ nhớ chính ngoài hệ điều hành, có thể có nhiều tiến trình đang hoạt động Do

đó nhiệm vụ quản lý bộ nhớ của hệ điều hành trong hệ thống đa chương trình sẽ phức tạp hơn nhiều so với trong hệ thống đơn chương trình Bảo vệ chính hệ điều hành và các tiến trình trên bộ nhớ tránh các trường hợp truy xuất bất hợp lệ xảy ra

Bộ phận quản lý bộ nhớ phải thực hiện các nhiệm vụ sau đây:

●

Chuyển đổi, hay ánh xạ, không gian địa chỉ ảo của một tiến trình vào bộ nhớ vật lý để khi một tiểu trình thực thi trong một ngữ cảnh của tiến trình đó, đọc hay ghi vào không gian địa chỉ ảo thì địa chỉ vật lý chính xác sẽ được tham chiếu

●

Phân trang một vài nội dung bộ nhớ ra đĩa (swap out) khi nó trở nên vượt quá sự đáp ứng bộ nhớ của hệ thống Có nghĩa là, khi việc thực thi các tiểu trình hay mã hệ thống cố gắng sử dụng nhiều bộ nhớ vật lý hơn

khả năng hiện thời và mang nội dung trở lại vào bộ nhớ vật lý (swap in) khi cần

Vấn đề đặt ra là khi đưa một chương trình vào lại bộ nhớ thì hệ điều hành phải định vị nó vào đúng vị trí mà nó đã được nạp trước đó Để thực hiện được điều này hệ điều hành phải có các cơ chế để ghi lại tất cả các thông tin liên quan đến một chương trình bị swap out, các thông tin này là cơ sở để hệ điều hành swap in chương trình vào lại bộ nhớ chính

và cho nó tiếp tục hoạt động

Bảo vệ bộ nhớ: Mỗi tiến trình phải được bảo vệ để chống lại sự truy xuất bất hợp lệ vô tình hay có chủ ý của các tiến trình khác Để thực hiện điều này hệ thống quản lý bộ nhớ phải biết được không gian địa chỉ của các tiến trình khác trên bộ nhớ và phải kiểm tra tất cả các yêu cầu truy xuất

bộ nhớ của mỗi tiến trình khi tiến trình đưa ra địa chỉ truy xuất

Chia sẻ bộ nhớ: Bất kì một chiến lược nào được cài đặt đều phải có tính mềm dẻo để cho phép nhiều tiến trình có thể truy cập đến cùng một địa chỉ trên bộ nhớ chính

Tổ chức bộ nhớ logic: Bộ nhớ chính của hệ thống máy tính được tổ chức như là một dòng hoặc một mảng, không gian địa chỉ bao gồm một dãy

có thứ tự các byte hoặc các word Bộ nhớ phụ cũng được tổ chức tương

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

Chiến lược kết hợp phân đoạn – phân trang

Với nội dung đề tài này, em xin trình bày 5 cơ chế quản lý bộ nhớ được trình bày trong Bài giảng

• Chương cho hệ điều hành

• Chương cho các tiến trình người dùng

cần xác định kích thước và vị trí của vùng bộ nhớ

điểm:

thay đổi kích thước hoặc vị trí của vùng bộ nhớ của các tiến trình sau khi chúng đã được cấp

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

chương cố định:

các chiến lược phân chương linh hoạt hơn, như phân chương phân đoạn và phân chia trang

Dưới đây là mô tả chi tiết hơn về chiến lược phân chương động

mà h ệ điều hành c a AMD s d ng: ủ ử ụ

1.Quản lý b ộ nhớ ựa trên trang (paging): d

• Toàn b b ộ ộ nhớ được chia thành các đơn vị là các khung trang có kích thước cố định (ví dụ 4KB một trang)

• Các trang này được phân bổ động cho các n trình dtiế ựa trên nhu c u s d ng th c t ầ ử ụ ự ế

2 Sử ụ d ng bảng trang để theo dõi:

• Bảng trang (page table) được dùng để theo dõi trang nào đã được cấp cho tiến trình nào Khi một tiến trình yêu cầu bộ nh , hệ ớ

điều hành s dùng bẽ ảng trang để xác định trang trống và gán cho tiến trình

3 Cho phép phân chia lại trang động:

• Khi m t ti n trình gi i phóng bộ ế ả ộ nhớ ệ điề, h u hành có th ểlấy các khung trang đã cấp cho tiến trình đó và cấp lại ngay cho các ti n trình khác c n dùng ế ầ

4 Tái c p phát nhanh chóng và linh ho ấ ạt:

• Việc cho phép phân chia lại các trang động giúp tối ưu hóa việc s d ng bử ụ ộ nhớ và c p phát l i b ấ ạ ộ nhớ ộ m t cách nhanh chóng, linh ho ạt

Đây là cơ chế phổ biến và hiệu quả được AMD áp dụng để quản

• Cấp phát b ộ nhớ linh hoạt, đáp ứng t t nhu cố ầu đột bi n ế

• Không b phân m nh bị ả ộ nhớ, ứng d ng có th s d ng liên ụ ể ử ụtục

• Tối ưu không gian địa ch bỉ ộ nhớ ảo hi u qu ệ ả

Nhược điểm:

• Cơ chếphứ ạc t p và chi phí qu n tr ả ịcao hơn

• Hiệu suất bị ảnh hưởng b i thao tác tra c u bở ứ ảng trang

• Lãng phí th i gian x lý do c n c p nh t liên t c b ng trang ờ ử ầ ậ ậ ụ ả

• Suy hao hiệu năng khi phải swap trang ra đĩa nhiều

Nhìn chung, đây là chiến lược phù hợp và đem lại nhiều lợi ích cho hệ thống máy tính hiện đại AMD đã áp dụng tốt cơ chế này

Đây là ví dụ minh họa cụ thể hơn về chi ến lược phân chương

độ ng trong h đi u hành của AMD: ệ ề

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

Giả s máy tính s d ng b x lý AMD Ryzen 5 v i hử ử ụ ộ ử ớ ệ điều hành Windows T ng bổ ộ nhớ RAM là 8GB

Khi hệ thống khởi động, toàn b ộ 8GB RAM được phân chia thành các trang (page frame) có kích thước 4KB Bảng trang toàn cầu (master page table) s ẽ được kh i tở ạo để theo dõi các khung trang này

Khi chương trình MS Word được mở ra, nó được cấp phát ban đầu 50MB RAM cho code, data và stack/heap HĐH sẽ tra cứu bảng trang toàn c u, c p phát cho Word kho ng 12.500 trang ầ ấ ả4KB liên ti p B ng trang cế ả ủa Word cũng được c p nh t chi tiậ ậ ết các trang đã cấp

Khi Word yêu c u thêm b ầ ộ nhớ ng, các trang phân mđộ ảnh nhỏ

có thể được c p thêm d a trên các ô tr ng còn l i Khi Word ấ ự ố ạthoát, t t cấ ả các khung trang được giải phóng và đánh dấu tr ng ố

để ử s dụng lại

Như vậy bộ nhớ được AMD phân chia và quản lý động dưới dạng các trang 4KB Đây là cơ chế paging điển hình và hiệu quả

Đây là một số chi tiết chính về chiến lược phân đoạn

(segmentation) mà h ệ điều hành c a AMD s d ng: ủ ử ụ

1.Phân chia b ộ nhớ thành các đoạn (segment) lớn:

• Các đoạn được t o ra dành riêng cho mạ ục đích cụ thể như code, data, stack, heap, etc

2.Mỗi đoạn có kích thước độ ập, thay đổc l i linh hoạt:

• AMD h ỗ trợ các đoạn có kích thướ ừ ột vài byte đến c t mnhiều GB, tùy thu c vào mộ ục đích sử ụ d ng

3.Cho phép cấp phát động các đoạn:

• Ứng d ng có thể yêu cầu cụ ấp phát thêm đoạn mới hoặc mở rộng đoạn hiện tại tại thời điểm chạy

4.Sử dụng bảng phân đoạn để quản lý:

• Bảng này định vị các đoạn trong bộ nhớ vật lý và theo dõi tham chiếu đến chúng

• Giảm thiểu s phân mự ảnh bộ nhớ so v i paging thuớ ần túy

• Quản lý đơn giản và chi phí thấp hơn so với paging

• Cô l p b o mậ ả ật tốt gi a các module, ti n trình ữ ế

• Độc lập địa ch ỉ giữa các đoạn, d dàng chia sễ ẻ thư viện Nhược điểm:

• Khó h ỗ trợ và khai thác hi u qu v i bệ ả ớ ộ nhớ ậ v t lý l n ớ

• Nếu một đoạn quá nhỏ cũng lãng phí bộ nhớ

• Chiếm nhiều không gian đĩa cho file swap đoạn

• Hiệu suất thực thi có th b ể ị ảnh hưởng b i phân mở ảnh đoạn Nhìn chung, segmentation v n là m t gi i pháp tẫ ộ ả ốt để ả c i thiện khả năng quản lý và bảo mật bộ nhớ c a h ủ ệ điều hành

Đây là mộ t ví dụ đơn giả n về chi ến lược phân đoạ n bộ nhớ mà AMD s d ng: ử ụ

Giả s máy tính có b ử ộ nhớ ậ v t lý RAM là 4GB Khi h ệ điều hành khởi động, nó sẽ chia RAM thành các đoạn như:

• Đoạn Code: 1GB - Chứa mã lệnh c a hủ ệ ề đi u hành

• Đoạn Data: 512MB - Chứa các biến và c u trúc dữ liệu hệ ấthống

• Đoạn Heap: 1GB - Để ấp phát độ c ng cho các tiến trình

• Đoạn Stack: 512MB - S dử ụng cho ngăn xếp c a tiủ ến trình

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

• Đoạn Shared: 1GB - Chứa các thư viện được chia sẻ

Khi một ứng d ng ch y, nó s ụ ạ ẽ được c p phát m t vùng Stack và ấ ộHeap riêng Ngoài ra chúng có th truy c p shared libraries trong ể ậđoạn Shared

Các đoạn này có thể thay đổi kích thước linh hoạt tại runtime nếu cần Ví dụ Heap có th m r ng thêm n u yêu c u c p phát b ể ở ộ ế ầ ấ ộnhớ tăng lên

Đây là cách AMD áp dụng phân đoạn để cô lập, bảo vệ và tối ưu hiệu năng cho bộ nhớ hệ thống

Đây là chi tiết về chi ến lượ c phân trang (paging) mà AMD sử dụng để quản lý bộ nhớ

1.Chi ti t chiế ến lược:

• Phân chia b ộ nhớ thành các khung có kích thước c nh gố đị ọi

• Sử ụ d ng bộ nh hiệu quả do tái cấp phát trang dễ dàng ớ

• Cấp phát b ộ nhớ linh hoạt, đáp ứng tốt yêu cầu đột biến

• Tối ưu hiệu năng với b ộ nhớ vật lý l n ớ

Đây là mộ t ví dụ đơn giả n về chi ến lượ c phân trang của AMD

Giả s máy có b ử ộ nhớ ậ v t lý 8GB Hệ điều hành chia thành các khung trang 4KB Khi chương trình Excel chạy, ban đầu nó được cấp 500 trang (2MB) Khi c n thêm bầ ộ nhớ, các trang sẽ được cấp thêm động cho Excel Khi Excel thoát, tất cả các trang đó được giải phóng và có th dùng lể ại ngay cho các chương trình khác

Đây là chi tiết về chi ến lượ c kết h ợp phân đoạ n và phân trang

mà AMD s d ử ụng để quả n lý và c p phát b ấ ộ nhớ :

1.Phân chia b ộ nhớ thành các đoạ ớn có ý nghĩan l

• Các đoạn như Code, Data, Stack, Heap dùng cho mục đích riêng bi ệt

2.Mỗi đoạn được chia nhỏ thành các khung có kích thước cố định gọi là trang (ví dụ 4KB m i trang) ỗ

3 S d ng bử ụ ảng phân đoạn để theo dõi các đoạn B ng trang cả ủa mỗi đoạn quản lý các khung trang

4 Cho phép cấp phát động các trang trong từng đoạn khi c n H ầ ỗtrợ tái s dử ụng trang đã giải phóng

Ưu điểm:

• Sử ụ d ng bộ nh hiệu quả, linh hoạt ớ

• Bảo m t và cô l p t t gi a các module hậ ậ ố ữ ệ thống

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

code c a nó Khi Word yêu củ ầu thêm tài nguyên, nó được cấp thêm các trang r i r c t ờ ạ ừ đoạn Heap ho c Stack.ặ

Chương 3 CHI ẾN LƯỢ C QUẢN LÝ BỘ NHỚ

C A IOS Ủ

Hệ điều hành iOS- iPhone Operating System là m t hộ ệ điều hành của điện thoại di động được phát tri n bể ởi Apple, được s dử ụng độc quyền cho ph n cầ ứng của hãng như iPhone, iPod touch và iPad iOS hoạt động trên giao diện cho phép người dùng tương tác với thiết bị điện tho i bạ ằng tay thông qua các thao tác như chạm, vuốt, thu, phóng đa cảm ứng Các y u t giao di n c a h ế ố ệ ủ ệ điều hành bao gồm các thanh trượt, công tắc và các nút Đặc biệt, hệ điều hành iOS luôn được Apple gửi đến người dùng các phiên bản cập nhất mới, nh m nâng các tr i nghiằ ả ệm, tính năng mới và tăng cường bảo mật

Hệ điều hành iOS lần đầu được ti t l t i h i ngh và tri n lãm ế ộ ạ ộ ị ểMacworld vào 9/1/2007 Sau đó, phiên bản iOS đầu tiên được phát hành vào tháng 9/2007 cùng v i th hớ ế ệ iPhone đầu tiên Hệ điều hành này đã được mở rộng sử dụng trên các ph n c ng thi t b ầ ứ ế ịkhác của hãng như iPod, iPad Tên gọi ban đầu c a hủ ệ điều hành

là iPhone OS, nhưng từ 6/2010 Apple đổi tên thành iOS và được sử dụng tên gọi đó cho đến nay

• Ứng d ng phong phú, chụ ất lượng và c p nhậ ật nhanh hơn với các phiên b n iOS m ả ới

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

ứng dụng đang chạy cùng lúc

thành hai phần:

người dùng

dụng Nhà phát triển có thể chỉ định kích thước phân đoạn khi tạo ứng dụng Nếu nhà phát triển không chỉ định kích thước phân

• Nó đơn giản và dễ triển khai

nhược điểm:

thước phân đoạn quá nhỏ

năng này cho phép nhà phát triển chỉ định kích thước phân đoạn

nhớ

• Cấu trúc d u qu n lý: ữ liệ ả

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

− Sử ụ d ng bảng chương động (dynamic segment table) đểtheo dõi các thông tin về chương: vị trí, kích thước, tr ng thái s ạ ửdụng

− Có các trường d ữ liệu để đánh dấu chương có thể hợp nhất được hay không

− Có trường liên kết các chương với nhau thành danh sách liên kết để dễ dàng duyệt

Chiến lược phân đoạn của IOS bao gồm 2 loại phân đoạn chính là phân đoạn cố định (fixed segmentation) và phân đoạn động (dynamic segmentation)

▪ Cấp phát và giải phóng đoạn nhanh chóng

▪ Quản lý bộ nhớ đơn giản

▪ Dễ b phân m nh b ị ả ộ nhớ

▪ Ít linh ho t, không s d ng bạ ử ụ ộ nhớ hiệu qu ả

2.Phân đoạn động:

• Cơ chế hoạt động:

− Ban đầu đoạn có kích thước nh , ví d 1KB ỏ ụ

− Khi cần, các đoạn nhỏ được h p nh t lợ ấ ại thành đoạ ớn hơn n l

để cấp phát

− Sử ụ d ng thuật toán first-fit để tìm đoạn trống

− Khi giải phóng, đoạ ớn đượn l c chia nh lỏ ại thành các đoạn ban đầu

• Cấu trúc d ữ liệu:

▫ Dùng bảng đoạn động để quản lý thông tin chi ti t các ếđoạn

▫ Cho biết đoạn có th h p nh t hay không ể ợ ấ

▫ Có liên kết các đoạn v i nhau thành danh sách ớ

1.Bảng trang (Page table)

• Mỗi tiến trình đều có m t b ng trang riêng ộ ả

• Bảng trang ch a các m c nh p ánh x t a ch trang logic ứ ụ ậ ạ ừ đị ỉsang khung trang v t lý ậ

Nguyễn Tuấn Khải -20225862

• Mỗi m c nhụ ập tương ứng v i m t khung trang, chớ ộ ứa địa ch ỉvật lý của khung đó trong bộ nhớ

• Các trường d ữ liệu khác như giá trị PFN (Page Frame

Number), bit h p l , bit sợ ệ ửa đổi

2.Bảng khung trang (Page frame table)

• Chứa các m c nhụ ập tương ứng với từng khung trang vật lý

• Mỗi m c nh p ch a tr ng thái cụ ậ ứ ạ ủa khung: đã cấp phát, trống, b l i ị ỗ

• Tham chiếu ngượ ạ ảc l i b ng trang c a tiủ ến trình đang sửdụng khung

3.Danh sách trang tr ng (Free page list) ố

• Quản lý các khung trang trống, chưa được cấp phát

• Dùng cho vi c c p phát khung khi cệ ấ ần

− Tiến trình được c p phát bấ ộ nhớ dưới dạng các đoạn

− Các đoạn được ánh x sang các khung trang v t lý ạ ậ

− Phân trang giúp qu n lý và c p phát bả ấ ộ nhớ ậ v t lý

− Phân đoạn giúp c p phát b ấ ộ nhớ ảo cho ti n trình m t cách ế ộlinh ho ạt

Cấu trúc d u : ữ liệ

7.Bảng trang (Page table)

• Mỗi ti n trình có m t b ng trang riêng ế ộ ả

• Ánh xạ địa chỉ trang logic thành địa ch khung trang v t lý ỉ ậ