Bài tiểu luận về bộ nhớ ảo trong tổ chức máy tính, tìm hiểu về bộ nhớ ảo, cấu trúc, lượng RAM có thể, những tinh năng khác,... Các bộ đệm chuyển đổi, các bảng trang, giám sát trang, trang ghim, threashing, ....
COMPUTER ORGANISATION (TỔ CHỨC MÁY TÍNH) Virtual memory Sinh viên: Thái Trung Tín Mã sinh viên: 51503315 Lớp : 15050301 Khóa: 19 Mục Lục Bộ nhớ ảo Bảng trang Translation Lookaside Buffer – Bộ đệm chuyển đổi Bảo vệ nhớ Vấn đề đặt Ký hiệu viết tắt • TLB : Translation Lookaside Buffer • PTE : Page Table Entry • MMU : Memory Management Unit • LRU: Least-recently using • OS: Operating System Virtual Memory Virtual memory 1.Định nghĩa Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) nhớ hệ thống tạo từ hệ điều hành nằm ổ cứng Nó liên kết địa ô nhớ dùng phần mềm, gọi địa ảo, tới địa vật lý nhớ máy tính Hình 1.1: Bộ nhớ ảo Virtual Memory Đặc điểm “Sử dụng nhớ “cache” (bộ đệm) cho nhớ thứ cấp: ” – Trích: Mr Aaron Tan Tuck Choy, Slides School of Computing, National University of Singapore • • • • An toàn việc chia sẻ thông tin đạt hiệu cao nhớ chương trình Giúp máy tính chạy nhanh giống đệm Cho phép chạy chương trình có kích thước lớn nhớ vật lý nhờ tách biệt nhớ ảo nhớ vật lý Đơn giản hóa việc nạp chương trình Trong thời gian chạy địa ảo dịch thành địa vật lý Mỗi chương trình sử dụng khơng gian địa riêng biệt – Không gian địa ảo Không gian địa ảo chương trình chia thành trang (kích thước cố định) đoạn (kích thước thay đổi) Virtual Memory Phân loại Bộ nhớ ảo phân trang Bộ nhớ ảo phân đoạn Bộ nhớ ảo phân đoạn có phân trang Mục tiêu thiết lập nhớ ảo Không cần quan tâm đến nhớ vật lý “Mở rộng” nhớ vật lý Tận dụng nhớ phụ việc xử lý tiến trình Virtual Memory Cơ chế nhớ ảo Không gian nhớ riêng chia nhỏ thành trang nhớ có kích thước 4KB (tương ứng địa offset từ -> 4095), trang nhớ ánh xạ không thiết toàn chúng phải nằm nhớ Khi truy xuất trang nhớ nằm nhớ địa ảo ánh xạ lên nhớ khơng sinh tượng lỗi trang ,khối MMU báo cho hệ diều hành tiến hành nạp trang từ nhớ thực lại lệnh trước Hình 1.2: Cơ chế nhớ ảo Video dịch địa Virtual Memory 6.Công thức chuyển đổi địa ảo sang địa vật lý: Địa vật lý = địa ảo + địa sở khung trang Hình 1.4: TLB Cache chế dịch địa Truy cập nhớ (bộ đệm) tốn (mỗi lần truy cập thực chất hai lần Hình 1.3: Dịch địa Nguồn : Mr.Aaron Tan Tuck Choy, slides School of Computing, National University of Singapore truy cập) Virtual Memory Lỗi trang (Fault Page) Truy xuất đến trang bất hợp lệ làm phát sinh lỗi trang Khi dò tìm bảng trang để lấy thông tin cần thiết cho việc chuyển đổi địa , nhận thấy trang yêu cầu đề xuất bất hợp lệ, chế phần cứng phát sinh ngắt để báo cho hệ điều hành Hệ điều hành xử lý lỗi trang sau: B1:Kiểm duyệt truy xuất trang: • Nếu khơng hợp lệ -> sinh lỗi trang • Nếu hợp lệ, thực bước B2: Tìm đĩa vị trí trang muốn xuất B3: Tìm khung trang trống • Nếu tìm thấy, sang bước 4, ngược lại chọn khung trang nạn nhân chuyển khung trang nạn nhân nhớ phụ, câp nhật bảng trang sang bước B4 :Cập nhật bảng trang trang muốn xuất đưa vào nhớ B5: Lặp lại q trình Hình 1.5: Sơ đồ truy xuất gặp trang lỗi Bảng trang Bảng trang (page tales) Không gian địa ảo chia thành nhiều trang nhớ Bảng trang nơi lưu trữ trang , địa thông tin, nơi biên dịch địa ảo, biên dịch quản lý phần cứng gọi “đơn vị quản lý vùng nhớ” (Memory Managent Unit - MMU) Hình 1.6: MMU nhớ ảo Bảng trang Truyền dịch địa page table : thay ghi 1.Thay Khi xảy lỗi trang, khơng có khung trang trống, hệ điều hành cần thực công việc thay trang – chọn trang nằm nhớ mà không sử dụng thời điểm chuyển khơng gian đĩa để giải phóng khung trang dành chỗ nạp trang cần truy xuất vào nhớ Bảng trang - Nếu có lỗi trang phải thực chuyển trang nhớ phụ nạp trang khác vào nhớ Bit cập nhật (dirty bit) dung để giảm bớt số lần chuyển trang - Bit nằm valid để kiểm tra trang có cập nhật hay khơng : Hình 1.10: Truyền dịch bảng trang Nguồn : Mr.Aaron Tan Tuck Choy, slides School of Computing, National University of Singapore • Giá trị 1: trang cập nhật lưu đĩa • Giá trị 0: trang khơng bị thay đổi Bảng trang 2.Ghi - Ghi xuyên : Thông tin ghi hai mức kế liền Ghi sau: Thông tin ghi mức nhớ Ưu điểm Ghi xuyên: đơn giản, dễ triển khai Ghi sau: ghi tốc độ đệm Translation Lookaside Buffer Translation lookaside Buffer (TLB) Định nghĩa - Do bảng trang nằm nhớ nên truy xuất bảng trang cần khoảng thời gian định để truy xuất đến nhớ -TLB – đệm chuyển đổi làm nhiệm vụ tăng tốc trình tìm kiếm bảng trang nhớ -TLB thực chất cache, làm tăng tốc độ truy cập nhớ - TLB biên dịch địa ảo sang địa thật, TLB lưu trữ song song cặp địa ảo/thực, xử lý trang lỗi đĩa thay nhớ Một số điều TLB Translation Lookaside Buffer Cơ chế translation lookaside buffer Khi trình truyền tải liệu từ địa ảo đến địa vật lý yêu cầu, TLB thực hiện: -Tìm trang có offset (chữ d hình) từ địa ảo -Tìm trang ảo TLB -Nếu thấy điền offset vào khung trang vật lý truy xuất vùng nhớ -Nếu khơng thấy qua bảng trang tìm kiếm nhớ chính, trang khơng tồn nhớ tạo trang lỗi khởi động lại trang tìm thấy Hình 1.11: Sự hoạt động TLB Translation Lookaside Buffer Lỗi TLB • • o o o o Trang có nhớ Nạp PTE thử lại Có thể xử lý phần cứng lẫn phần mềm: Nếu xử lý phần cứng: gây phức tạp cho cấu trúc bảng trang Nếu xử lý phần mềm: đưa ngoại lệ với xử lý tích cực Trang khơng có nhớ Cập nhật bảng trang Khởi tạo lại hướng dẫn bị đứt gãy Trích : Mr.Aaron Tan Tuck Choy, slides School of Computing, National University of Singapore Translation Lookaside Buffer Xử lý lỗi TLB Lỗi TLB hiển thị trang diện PTE khơng có TLB trang không diện Phải xác nhận lỗi TLB trước ghi đè địa Xử lý cách chép PTE từ nhớ sang TLB Sau khởi tạo lại đường dẫn Nếu trang khơng có lỗi trang xảy (xử lý lỗi trang) Trích : Mr.Aaron Tan Tuck Choy, slides School of Computing, National University of Singapore Hình 1.12: Using the TLB Nguồn: Computer Organisation and Design Translation Lookaside Buffer Xử lý lỗi trang Sử dụng địa ảo để tìm PTE Định vị trang đĩa Chọn trang để thay Đọc trang vào nhớ cập nhật bảng trang Tạo nên trình khả thi lần Khởi tạo lại từ lỗi đường dẫn Trích : Mr.Aaron Tan Tuck Choy, slides School of Computing, National University of Singapore Hình 1.13: Xử lý lỗi trang Translation Lookaside Buffer SỰ tương tác cache TLB Dữ liệu khơng thể có mặt cache khơng có mặt nhớ Khi OS (Operating System) cho việc lưu trữ trang nhớ khơng cần thiết, OS tiến hành di chuyển liệu trang lên ổ đĩa sau cập nhật bảng trang TLB để cho có truy xuất vào trang đó, sinh kiện lỗi trang Hình 1.14: TLB Cache Nguồn : Mr.Aaron Tan Tuck Choy, slides School of Computing, National University of Singapore Translation Lookaside Buffer - Bước 1: lấy so sánh thông tin tag - Bước 2: tìm địa trang vật lý - Bước 3, 4: kết hợp địa trang vật lý địa offset byte cần quan tâm cho địa vật lý hoàn chỉnh Memory Protection Bảo vệ nhớ • • • • • • Có thể chia sẻ phận không gian địa ảo Nhưng cần thiết để bảo vệ chống lại truy cập không tiêu chuẩn Yêu cầu hỗ trợ OS Phần cứng hỗ trợ cho OS Chế độ giám sát đặc quyền Hướng dẫn đặc quyền Các bảng trang cổng thông tin khác truy cập chế độ giám sát Hệ thống gọi ngoại lệ Trích : Mr.Aaron Tan Tuck Choy, slides School of Computing, National University of Singapore Problem NếU máy tính khơng có nhớ ảo, điều xảy • • Máy tính hoạt động bình thường có nhiều hạn chế, gây ức chế, khó chịu cho người sử dụng, lập trình viên: Nguồn RAM khơng dồi có nhớ ảo, người sử dụng phải cân nhắc số lượng chương trình chạy máy Nếu chạy chương trình q nặng, vượt khỏi tầm kiểm sốt RAM thực khơng chạy chương trình ghi nhiều hư hỏng cho máy GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC NẾU KHÔNG CÓ BỘ NHỚ ẢO Tăng lượng RAM thực máy cách mua RAM rời lắp vào máy có giới hạn lượng RAM (thơng thường 8GB, laptop hạng cao cấp 16GB) Virtual Memory Tóm lại Nội dung cần nhớ: Bản chất, chế nhớ ảo hệ điều hành Các tính Translation Lookaside Buffer Memory Management Unit giúp tăng tốc độ tiền trình xử lý liệu nhớ ảo Công thức biên dịch từ địa ảo sang địa vật lý Cách để trì, bảo vệ nhớ Vai trò quan trọng nhớ ảo Những rắc rối khơng có nhớ ảo hệ điều hành Virtual Memory Tài liệu tham khảo Computer Organnisation and Design: The Hardware/Software Interface, Revised Fourth Edition, Henessy Slides School of Computing, National University of Singapore, Mr Aaron Tan Tuck Choy The end ... : Page Table Entry • MMU : Memory Management Unit • LRU: Least-recently using • OS: Operating System Virtual Memory Virtual memory 1.Định nghĩa Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) nhớ hệ thống tạo từ... thường 8GB, laptop hạng cao cấp 16GB) Virtual Memory Tóm lại Nội dung cần nhớ: Bản chất, chế nhớ ảo hệ điều hành Các tính Translation Lookaside Buffer Memory Management Unit giúp tăng tốc độ... gian địa ảo chương trình chia thành trang (kích thước cố định) đoạn (kích thước thay đổi) Virtual Memory Phân loại Bộ nhớ ảo phân trang Bộ nhớ ảo phân đoạn Bộ nhớ ảo phân đoạn có phân