Rundschreiben V
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Speicherverwaltung
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Betriebssysteme
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![Speicherverwaltung Speicherverwaltung](https://pdfprof.com/Listes/15/21326-15OS_V13_Speicherverwaltung_.pdf.pdf.jpg)
Überschrift
Speicherverwaltung
1Prof. Dr. Margarita Esponda
2011/2012
M. Esponda-Argüero
Speicherverwaltung
Hauptziele:
einen effizienten Zugriff auf den physikalischen den Adress-Raum des Betriebssystems und der verschiedenen Prozesse gegen illegale Speicherzugriffe zu schützen. eine Schnittstelle für gemeinsame Verwendung von Speichern zu Verfügung zu stellen. Speicher ist die zweite wichtigste Ressource, die dasBetriebssystem verwalten muss.
2M. Esponda-Argüero
Überschrift
3Speicherhierarchie (Motivation)
Speicherverwaltung-Mechanismen
Hardware-Unterstützung
Virtuelle Speicher
Inhalt
M. Esponda-Argüero
Motivation für Speicherhierarchie
hohen Parallelisierungsgrad Instruktionen mit verarbeiten.Dies erfordert schnellere Speicherzugriffe, die
nur durch komplexe Speicherhierarchien 4Engpass!
M. Esponda-Argüero
Pipelining
Beispiel:
Pipeline mit 5 Stufen
Befehl holen fetch
Befehl dekodieren decode
Befehl ausführen execute
Auf Speicher zugreifen mem
Ergebnis in Register zurück schreiben writeback Pipelining ist eine der wichtigsten Parallelisierungstechniken modernerProzessoren.
Die Ausführung eines Befehls wird in Stufen aufgeteilt und verschiedene Stufen von verschiedenen Befehlen parallel ausgeführt. Eine Pipeline besteht typischerweise aus 4 bis 15 Stufen. 5M. Esponda-Argüero
RegisterFetch Decode Execute Mem WritebackIR ALUPipelining
6M. Esponda-Argüero
RegisterFetch Decode Execute Mem WritebackIR ALUPipelining
7M. Esponda-Argüero
Register
Fetch Decode Execute Mem WritebackIR ALU 8Pipelining
M. Esponda-Argüero
Hyper Pipeline
Intel 4
Multiprozessor
n Cores pro CPUMultithreading
m Threads pro CoreMulticore + Multithreading
nxm Threads pro Prozessor 9M. Esponda-Argüero
Parallelisierung
10 Platform 2015: Intel® Processor and Platform Evolution for the Next DecadePrognose im Jahr 2005M. Esponda-Argüero
Motivation für eine Speicherhierarchie
- Befehle und Daten sollen innerhalb eines Taktzyklus - Der Prozessor hat nur zum Register oder zum internenHauptspeicher direkten Zugriff.
meistens ein oder mehrere schnellere Speicher (Cache) zwischen der CPU und dem Hauptspeicher verwendet. 11M. Esponda-Argüero
Motivation für Speicherhierarchie
12 zwei verschiedenen Formen: verwendeten Speicheradressen in naher Zukunft wieder verwendet werden, ist relativ groß. zugegriffen wird, ist relativ groß. sum = 0: for (i=0; iM. Esponda-Argüero
Speicherhierarchie
RegisterL3 CacheHaupt-
speicher CPUL1 Cache
13Festplatten
FestplattenL2 Cache8 Register im x86 vs. 128 im Itanium -Register 8-128 1 Taktzyklen -L1 32KB 4 Taktzyklen -L2 256KB <12 Taktzyklen -L3 8MB 30-40 Taktzyklen -DRAM ~180-200 TaktzyklenM. Esponda-Argüero
Vereinfachtes Bild des Speicherhierarchie
142-3x langsamer10-20x100-300x100-300Mxno latency
M. Esponda-Argüero
Hydra System (Multiprocessor on a Chip)
15CPU 0
Centralized Bus Arbitration Mechanisms
Cache SRAM ArrayDRAM Main MemoryI/O DeviceI-cache
D-cache
Memory Controler
Rambus Memory
InterfaceOff-chip L3InterfaceI/O BusInterface
DMACPU 1CPU 2CPU 3On-chip Secondary Cache
Alles in einem Chip:
I-cache
D-cache
Memory Controler
I-cache
D-cache
Memory Controler
I-cache
D-cache
Memory Controler
Write-through Bus (64b)Read/Replace Bus (256b)
Cache refillsWrite out
invalidates inStanford
1999M. Esponda-Argüero
Speicherverwaltungsmechanismen
Direkte Speicherverwaltung- nur bei eingebetteten Systemen, die einenProzess ausführen
- sehr einfache direkte VerwaltungSegmentierungSegmentierung + Seiten-AdressierungVirtuelle Speicherverwaltung- früher weit verbreitet (MS-DOS)- bei modernen Systemen- fast in jedem modernen Betriebssystem
16M. Esponda-Argüero
Direkte Speicherverwaltung
Die einfachste Verwaltungsstrategie- nur ein Programm- Speicherteilung nur zwischen dem Programm und dem Betriebssystem- einfache eingebettete Systeme
17Betriebssystem
im RAMBenutzer-
Programm
Benutzer-
Programm
Betriebssystem
im RAMBenutzer-
Programm
Betriebssystem
im RAM im RAM - kein MMUM. Esponda-Argüero
Speicherverwaltung für Multiprogrammierung
Durch Multiprogrammierung entstehen zwei wichtige Probleme:- Relokation- SpeicherschutzAlle Programme zusammen verwenden meistens
viel mehr Speicher als der physikalischeDer Speicher-Adressraum der Prozesse muss
geschützt werden.Prozesse, die gerade nicht ausgeführt
werden, werden vom SpeicherAdressbindungSwapping
18M. Esponda-Argüero
Speicherverwaltung für Multiprogrammierung
Zwei spezielle Hardwareregister werden verwendet:Das Basis-Register hat die kleinste Speicheradresse, die ein
Prozess benutzen darf.
Prozesses.
Es muss gesichert werden, dass jeder Prozess einen eigenenAdressbereich hat.
Das Betriebssystem hat Zugriff zu jedem Prozess-Adressraum.Die Benutzerprozesse haben keinen Zugriff zum Adressraum anderer
Prozesse und auch nicht zum Adressraum des Betriebssystems.Speicherschutz
19M. Esponda-Argüero
20Hardware für die Speicherverwaltung
Zwei spezielle Register (base und limit)
werden benutzt, um die Adressraum-Grenzen der Prozesse zu schützen.
Betriebssystem
Prozess
1Prozess
2Prozess
320000032000500006000010000032000
Basisregister von P
2 18000Grenzregister von P
2M. Esponda-Argüero
Einfache Hardware-Unterstützung
Die CPU vergleicht jede Adresse, die im Benutzermodus generiert wird mit dem Basisregister und das Basisregister + Grenzregister der jeweiligen Prozesse. Der Versuch eines Prozesses, auf den Adressraum des Betriebssystems oder in den Adressraum eines anderen Prozesses entsprechend behandelt wird. 21Der Basisregister und der Grenzregister müssen bei Kontext-
Wechsel gespeichert und zurückgesetzt werden.
M. Esponda-Argüero
22Hardware für die Speicherverwaltung
CPU jajaneinneinAusnahmefehler (trap)BasisregisterBasisregister + GrenzregisterAdresse
Speicherzugriff
M. Esponda-Argüero
23Die CPU arbeitet mit logischen oder virtuellen
Adressen.
Die MMU arbeitet direkt mit den physikalischen
Adressen.
Logische vs. Physikalische Adressen
Das Konzept einer logischen Speicheradresse, die eine Bindung zu einer getrennten physikalischen Adresse hat, spielt eine zentraleRolle in der Speicherverwaltung.
Vereinfacht linking, sharing und allocation!!!
M. Esponda-Argüero
Logische vs. Physikalische Adressen
24Virtuelle Adressen1024:0:512:0:4096:0:
Betriebssystem
MMU freePhysikalische Adressen512:0:
M. Esponda-Argüero
25Virtuelle vs. Physikalische Adressen
CPU MMU logischeAdresse
physikalischeAdresse
Haupt-
Speicher
Ein-/Aus-
Vorteile:
-Vereinfachung der Programmierung von Anwendungen -alle Prozesse haben ein [0, high]-Adressraum (homogenes Layout) -weniger Speicher pro Prozess (20/80 Regel) effizienterM. Esponda-Argüero
Memory Management Unit (MMU)
26Die MMU war ursprünglich als externe Komponente des
Mikroprozessors gebaut.
Moderne Mikroprozessoren haben sogar mehrere MMUs
innerhalb des Prozessor-Chip. Das Benutzerprogramm arbeitet nur mit logischen Adressen. Er sieht nie die physikalische Adresse, welche die MMU sieht.Die Relocation- und Limit-Register sind Teil des
Prozesskontextes und werden von dem Dispatcher als solchesquotesdbs_dbs28.pdfusesText_34[PDF] Betriebssysteme: PalmOS
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