›

Giáo án Hệ điều hành - Chương 7: Quản lí bộ nhớ - Hà Lê Hoài Trung

pdf 69 trang huongle 8030
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo án Hệ điều hành - Chương 7: Quản lí bộ nhớ - Hà Lê Hoài Trung", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_an_he_dieu_hanh_chuong_7_quan_li_bo_nho_ha_le_hoai_trun.pdf

Nội dung text: Giáo án Hệ điều hành - Chương 7: Quản lí bộ nhớ - Hà Lê Hoài Trung

  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 1
  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 2
  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 3
  4. Các kiểu địa chỉ nhớ  Địa chỉ vật lý (physical address) (địa chỉ thực) là một vị trí thực trong bộ nhớ chính.  Địa chỉ luận lý (logical address) là một vị trí nhớ được diễn tả trong một chương trình ( còn gọi là địa chỉ ảo virtual address) ‟ Các trình biên dịch (compiler) tạo ra mã lệnh chương trình mà trong đó mọi tham chiếu bộ nhớ đều là địa chỉ luận lý ‟ Địa chỉ tương đối (relative address) (địa chỉ khả tái định vị, relocatable address) là một kiểu địa chỉ luận lý trong đó các địa chỉ được biểu diễn tương đối so với một vị trí xác định nào đó trong chương trình. . Ví dụ: 12 byte so với vị trí bắt đầu chương trình, ‟ Địa chỉ tuyệt đối (absolute address): địa chỉ tương đương với địa chỉ thực. Khoa KTMT 4
  5. Nạp chương trình vào bộ nhớ  Bộ linker: kết hợp các object module thành một file nhị phân khả thực thi gọi là load module.  Bộ loader: nạp load module vào bộ nhớ chính System static linking library dynamic linking System library Khoa KTMT 5
  6. Cơ chế thực hiện linking 0 0 Module A relocatable Module A object modules CALL B length L JMP “L” L 1 Return L 1 Return L Module B 0 Module B load module JMP “L+M” CALL C length M L M 1 Return M 1 Return L M Module C 0 Module C length N L M N 1 Return N 1 Return Khoa KTMT 6
  7. Chuyển đổi địa chỉ  Chuyển đổi địa chỉ: quá trình ánh xạ một địa chỉ từ không gian địa chỉ này sang không gian địa chỉ khác.  Biểu diễn địa chỉ nhớ ‟ Trong source code: symbolic (các biến, hằng, pointer, ) ‟ Thời điểm biên dịch: thường là địa chỉ khả tái định vị . Ví dụ: a ở vị trí 14 bytes so với vị trí bắt đầu của module. ‟ Thời điểm linking/loading: có thể là địa chỉ thực. Ví dụ: dữ liệu nằm tại địa chỉ bộ nhớ thực 2030 0 2000 int i; goto p1; p1 250 2250 symbolic address relocatable address physical memory Khoa KTMT 7
  8. Chuyển đổi địa chỉ (tt)  Địa chỉ lệnh (instruction) và dữ liệu (data) được chuyển đổi thành địa chỉ thực có thể xảy ra tại ba thời điểm khác nhau ‟ Compile time: nếu biết trước địa chỉ bộ nhớ của chương trình thì có thể kết gán địa chỉ tuyệt đối lúc biên dịch. . Ví dụ: chương trình .COM của MS-DOS . Khuyết điểm: phải biên dịch lại nếu thay đổi địa chỉ nạp chương trình ‟ Load time: Vào thời điểm loading, loader phải chuyển đổi địa chỉ khả tái định vị thành địa chỉ thực dựa trên một địa chỉ nền (base address). . Địa chỉ thực được tính toán vào thời điểm nạp chương trình phải tiến hành reload nếu địa chỉ nền thay đổi. Khoa KTMT 8
  9. Sinh địa chỉ tuyệt đối vào thời điểm dịch Symbolic Absolute Physical memory addresses addresses addresses PROGRAM 1024 1024 JUMP i JUMP 1424 JUMP 1424 i 1424 1424 LOAD j LOAD 2224 LOAD 2224 Compile Link/Load DATA j 2224 2224 Source code Absolute load module Process image Khoa KTMT 9
  10. Sinh địa chỉ thực vào thời điểm nạp Relative Symbolic (relocatable) Physical memory addresses addresses addresses PROGRAM 0 1024 JUMP i JUMP 400 JUMP 1424 i 400 1424 LOAD j LOAD 1200 Compile Link/Load LOAD 2224 DATA j 1200 2224 Source code Relative Process image load module Khoa KTMT 10
  11. Chuyển đổi địa chỉ (tt)  Execution time: khi trong quá trình thực thi, process có thể được di Relative (relocatable) chuyển từ segment này sang addresses segment khác trong bộ nhớ thì quá 0 trình chuyển đổi địa chỉ được trì hoãn đến thời điểm thực thi JUMP 400 ‟ Cần sự hỗ trợ của phần cứng cho 400 việc ánh xạ địa chỉ. . Ví dụ: trường hợp địa chỉ luận lý LOAD 1200 là relocatable thì có thể dùng thanh ghi base và limit, ‟ Sử dụng trong đa số các OS đa 1200 dụng (general-purpose) trong đó có các cơ chế swapping, paging, segmentation MAX = 2000 Khoa KTMT 11
  12. Không gian địa chỉ  Địa chỉ được tạo bởi CPU ‟ Địa chỉ logic (logical address). Tập hợp địa chỉ logic gọi là không gian địa chỉ logic  Địa chỉ nạp vào MAR ‟ địa chỉ vật lý (physical address). Tập hợp địa chỉ vật lý gọi là không gian địa chỉ vật lý  compile-time and load-time: ‟ Địa chỉ Logical và physical là xác định  Tại thời điểm thực thi: địa chỉ logic khác vật lý, thường gọi là địa chỉ ảo  Việc ánh xạ giữa hai địa chỉ được thực thi bởi Memory Management Unit (MMU) Khoa KTMT 12
  13. Tái định vị sử dụng relocation register relocation register 7000 memory logical + physical CPU address address 642 7642 MMU Khoa KTMT 13
  14. Liên kết động(Dynamic linking)  Quá trình link đến một module ngoài (external module) được thực hiện sau khi đã tạo xong load module (i.e. file có thể thực thi, executable) ‟ Ví dụ trong Windows: module ngoài là các file .DLL còn trong Unix, các module ngoài là các file .so (shared library)  Load module chứa các stub tham chiếu (refer) đến routine của external module. ‟ Lúc thực thi, khi stub được thực thi lần đầu (do process gọi routine lần đầu), stub nạp routine vào bộ nhớ, tự thay thế bằng địa chỉ của routine và routine được thực thi. ‟ Các lần gọi routine sau sẽ xảy ra bình thường  Stub cần sự hỗ trợ của OS (như kiểm tra xem routine đã được nạp vào bộ nhớ chưa). Khoa KTMT 14
  15. Ưu điểm của dynamic linking  Thông thường, external module là một thư viện cung cấp các tiện ích của OS. Các chương trình thực thi có thể dùng các phiên bản khác nhau của external module mà không cần sửa đổi, biên dịch lại.  Chia sẻ mã (code sharing): một external module chỉ cần nạp vào bộ nhớ một lần. Các process cần dùng external module này thì cùng chia sẻ đoạn mã của external module tiết kiệm không gian nhớ và đĩa.  Phương pháp dynamic linking cần sự hỗ trợ của OS trong việc kiểm tra xem một thủ tục nào đó có thể được chia sẻ giữa các process hay là phần mã của riêng một process (bởi vì chỉ có OS mới có quyền thực hiện việc kiểm tra này). Khoa KTMT 15
  16. Nạp động(Dynamic loading)  Cơ chế: chỉ khi nào cần được gọi đến thì một thủ tục mới 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 chịu trách nhiệm thiết kế và hiện thực các chương trình có dynamic 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 16
  17. Cơ chế phủ lắp (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 khiển bởi người sử dụng (thông qua sự hỗ trợ của các thư viện lập trình) chứ không cần sự hỗ trợ của hệ điều hành Khoa KTMT 17
  18. Cơ chế overlay (tt) Pass 1 70K Đơn vị: byte symbol Pass 2 80K 20K Symbol table 20K table Common routines 30K common Assembler 30K routines Total memory available = 150KB overlay 10K driver nạp và thực thi pass 1 pass 2 70K 80K Khoa KTMT 18
  19. Cơ chế hoán vị (swapping)  Một process có thể tạm thời bị swap ra khỏi bộ nhớ chính và lưu trên một hệ thống lưu trữ phụ. Sau đó, process có thể được nạp lại vào bộ nhớ để tiếp tục quá trình thực thi. Swapping policy: hai ví dụ ‟ Round-robin: swap out P1 (vừa tiêu thụ hết quantum của nó), swap in P2 , thực thi P3 , ‟ Roll out, roll in: dùng trong cơ chế định thời theo độ ưu tiên (priority-based scheduling) . Process có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị swap out nhường chỗ cho process có độ ưu tiên cao hơn mới đến được nạp vào bộ nhớ để thực thi  Hiện nay, ít hệ thống sử dụng cơ chế swapping trên Khoa KTMT 19
  20. Minh họa cơ chế swapping Khoa KTMT 20
  21. 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 ít (hầu như không còn) được dùng trong các hệ thống hiện đại ‟ Phân chia cố định (fixed partitioning) ‟ Phân chia động (dynamic partitioning) ‟ Phân trang đơn giản (simple paging) ‟ Phân đoạn đơn giản (simple segmentation) Khoa KTMT 21
  22. Phân mảnh (fragmentation)  Phân mảnh ngoại (external fragmentation) ‟ Kích thước không gian nhớ còn trống đủ để thỏa mãn một yêu cầu cấp phát, tuy nhiên không gian nhớ này không liên tục có thể dùng 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 định (fixed-sized block) và các process được cấp phát theo đơn vị khối. Ví dụ: cơ chế phân trang (paging). Khoa KTMT 22
  23. Phân mảnh nội operating yêu cầu kế tiếp là system 18,462 bytes !!! (used) hole kích thước 18,464 bytes cần quản lý khoảng trống 2 bytes !?! OS sẽ cấp phát hẳn khối 18,464 bytes cho process dư ra 2 bytes không dùng! Khoa KTMT 23
  24. Fixed partitioning  Khi khởi động hệ thống, bộ nhớ chính được chia thành nhiều phần rời nhau gọi là các partition có kích thước bằng nhau hoặc khác nhau  Process nào có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng kích thước partition thì có thể được nạp vào partition đó.  Nếu chương trình có kích thước lớn hơn partition thì phải dùng cơ chế overlay.  Nhận xét ‟ Không hiệu quả do bị phân mảnh nội: một chương trình dù lớn hay nhỏ đều được cấp phát trọn một partition. Khoa KTMT 24
  25. Chiến lược placement (tt)  Partition có kích thước bằng nhau ‟ Nếu còn partition trống process mới sẽ được nạp vào partition đó ‟ Nếu không còn partition trống, nhưng trong đó có process đang bị blocked swap process đó ra bộ nhớ phụ nhường chỗ cho process mới.  Partition có kích thước không bằng nhau: giải pháp 1 ‟ Gán mỗi process vào partition nhỏ nhất phù hợp với nó ‟ Có hàng đợi cho mỗi partition ‟ Giảm thiểu phân mảnh nội ‟ Vấn đề: có thể có một số hàng đợi trống không (vì không có process với kích thước tương ứng) và hàng đợi dày đặc Khoa KTMT 25
  26. Chiến lược placement (tt)  Partition có kích thước không bằng nhau: giải pháp 2 ‟ Chỉ có một hàng đợi chung cho mọi partition ‟ Khi cần nạp một process vào bộ nhớ chính chọn partition nhỏ nhất còn trống Khoa KTMT 26
  27. Dynamic partitioning  Số lượng partition không cố định và partition có thể có kích thước khác nhau  Mỗi process được cấp phát chính xác dung lượng bộ nhớ cần thiết  Gây ra hiện tượng phân mảnh ngoại Khoa KTMT 27
  28. Chiến lược placement  Dùng để quyết định cấp phát khối bộ nhớ trống nào cho một process  Mục tiêu: giảm chi phí compaction  Các chiến lược placement ‟ 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 vị trí cấp phát cuối cùng ‟ Worst-fit: chọn khối nhớ trống lớn nhất Khoa KTMT 28
  29. Bài Tập  Giả sử bộ nhớ chính được phân thành các phân vùng cĩ kích thước là 600K, 500K, 200K, 300K ( theo thứ tự ), cho biết các tiến trình cĩ kích thước 212K, 417K, 112K và 426K ( theo thứ tự ) sẽ được cấp phát bộ nhớ như thế nào, nếu sử dụng : a) Thuật tốn First fit b) Thuật tốn Best fit c) Thuật tốn Worst fit d) Thuật tốn Next fit Thuật tốn nào cho phép sử dụng bộ nhớ hiệu qủa nhất trong trường hợp trên ? Khoa KTMT 29
  30. Cấp phát không liên tục 1.Cơ chế phân trang (paging) Bộ nhớ vật lý khung trang (frame). ‟ Kích thước của frame là lũy thừa của 2, từ khoảng 512 byte đến 16MB.  Bộ nhớ luận lý (logical memory) hay không gian địa chỉ luận lý là tập mọi địa chỉ luận lý mà một chương trình bất kỳ có thể sinh ra  page. ‟ Ví dụ „ MOV REG,1000 //1000 là một địa chỉ luận lý  Bảng phân trang (page table) để ánh xạ địa chỉ luận lý thành địa chỉ thực Khoa KTMT 30
  31. 1.Cơ chế phân trang (tt) page frame number number 0 0 0 1 1 page 0 1 1 4 2 2 2 3 3 page 2 3 3 5 4 page 1 logical memory page table 5 page 3 physical memory Khoa KTMT 31
  32. 1.Cơ chế phân trang (tt) A) Chuyển đổi địa chỉ trong paging ‟ Địa chỉ luận lý gồm có: . Số hiệu trang (Page number) p . Địa chỉ tương đối trong trang (Page offset) d ‟ Nếu kích thước của không gian địa chỉ luận lý là 2m, và kích thước của trang là 2n (đơn vị là byte hay word tùy theo kiến trúc máy) thì page number page offset p d m n bits n bits (định vị từ 0  2m n 1) (định vị từ 0  2n 1) m n m n Bảng phân trang sẽ có tổng cộng 2 /2 = 2 mục (entry) Khoa KTMT 32
  33. 1.Cơ chế phân trang (tt) A) Chuyển đổi địa chỉ trong paging f frames logical physical address address f 00 00 CPU p d f d f 11 11 p f physical memory page table Khoa KTMT 33
  34. 1.Cơ chế phân trang (tt) Ví dụ: Chuyển đổi địa chỉ nhớ trong paging Khoa KTMT 34
  35. Ví dụ Xét một khơng gian địa chỉ cĩ 8 trang, mỗi trang cĩ kích thước 1KB. ánh xạ vào bộ nhớ vật lý cĩ 32 khung trang a) Địa chỉ logic gồm bao nhiêu bit ? b) Địa chỉ physic gồm bao nhiêu bit ? c) ng trang bao nhiêu c? i c trong ng trang n bao nhiêu bit? Khoa KTMT 35
  36. 1.Cơ chế phân trang (tt) Trước khi và sau khi cấp phát cho Process mới Khoa KTMT 36
  37. B) Cài đặt bảng trang (Paging hardware)  Bảng phân trang thường được lưu giữ trong bộ nhớ chính ‟ Mỗi process được hệ điều hành cấp một bảng phân trang ‟ Thanh ghi page-table base (PTBR) trỏ đến bảng phân trang ‟ Thanh ghi page-table length (PTLR) biểu thị kích thước của bảng phân trang (có thể được dùng trong cơ chế bảo vệ bộ nhớ)  Thường dùng một bộ phận cache phần cứng có tốc độ truy xuất và tìm kiếm cao, gọi là thanh ghi kết hợp (associative register) hoặc translation look-aside buffers (TLBs) Khoa KTMT 37
  38. B) Cài đặt bảng trang (Paging hardware)  Dùng thanh ghi Page-Table Base Register (PTBR) p Khoa KTMT 38
  39. Paging hardware với TLB Khoa KTMT 39
  40. C) Effective access time (EAT) „ Tính thời gian truy xuất hiệu dụng (effective access time, EAT)  Thời gian tìm kiếm trong TLB (associative lookup):   Thời gian một chu kỳ truy xuất bộ nhớ: x  Hit ratio: tỉ số giữa số lần chỉ số trang được tìm thấy (hit) trong TLB và số lần truy xuất khởi nguồn từ CPU ‟ Kí hiệu hit ratio:  Thời gian cần thiết để có được chỉ số frame ‟ Khi chỉ số trang có trong TLB (hit)  + x ‟ Khi chỉ số trang không có trong TLB (miss)  + x + x  Thời gian truy xuất hiệu dụng EAT = ( + x) + ( + 2x)(1 ‟ ) = (2 ‟ )x +  Khoa KTMT 40
  41. C) Effective access time (EAT)  Ví dụ 1: đơn vị thời gian  Ví dụ 2 nano giây . Associative lookup = 20 . Associative lookup = 20 . Memory access = 100 . Memory access = 100 . Hit ratio = 0.98 . Hit ratio = 0.8 . EAT = (100 + 20) 0.98 + . EAT = (100 + 20) 0.8 + (200 + 20) 0.02 (200 + 20) 0.2 = 1.02 100 + 20 = 1.2 100 + 20 = 122 = 140 Khoa KTMT 41
  42. Ví dụ Xét một hệ thống sử dụng kỹ thuật phân trang, với bảng trang được lưu trữ trong bộ nhớ chính. a) Nếu thời gian cho một lần truy xuất bộ nhớ bình thường là 200nanoseconds, thì mất bao nhiêu thời gian cho một thao tác truy xuất bộ nhớ trong hệ thống này ? b) Nếu sử dụng TLBs với hit-ratio ( tỉ lệ tìm thấy) là 75%, thời gian để tìm trong TLBs xem như bằng 0, tính thời gian truy xuất bộ nhớ trong hệ thống ( effective memory reference time) Khoa KTMT 42
  43. D) Tổ chức bảng trang - Phân trang đa cấp  Các hệ thống hiện đại đều hỗ trợ không gian địa chỉ ảo rất lớn (232 đến 264), ở đây giả sử là 232 ‟ Giả sử kích thước trang nhớ là 4KB (= 212) bảng phân trang sẽ có 232/212 = 220 = 1M mục. ‟ Giả sử mỗi mục gồm 4 byte thì mỗi process cần 4MB cho bảng phân trang . VD: Phân trang hai cấp Số trang Độ dời trang P1 P2 d 10 bit 10 bit 12 Khoa KTMT 43
  44. Phân trang đa cấp (tt) Khoa KTMT 44
  45. D) Tổ chức bảng trang Phân trang đa cấp Khoa KTMT 45
  46. D) Tổ chức bảng trang  Bảng trang nghịch đảo: sử dụng cho tất cả các Process i Khoa KTMT 46
  47. E) Bảo vệ bộ nhớ  Việc bảo vệ bộ nhớ được hiện thực bằng cách gắn với frame các bit bảo vệ (protection bits) được giữ trong bảng phân trang. Các bit này biểu thị các thuộc tính sau ‟ read-only, read-write, execute-only  Ngoài ra, còn có một valid/invalid bit gắn với mỗi mục trong bảng phân trang ‟ “valid”: cho biết là trang của process, do đó là một trang hợp lệ. ‟ “invalid”: cho biết là trang không của process, do đó là một trang bất hợp lệ. Khoa KTMT 47
  48. Bảo vệ bằng valid/invalid bit 00000 frame valid/ 0 number invalid bit 1 14 bit 0 2 v 2 page 0 1 3 v 3 page 1 2 4 v 4 page 2 3 7 v 5 4 8 v 6 10468 12287 5 9 v 7 page 3 6 0 i 8 page 4 9 page 5 7 0 i 16383  Mỗi trang nhớ có kích thước 2K = 2048 page n  Process có kích thước 10,468 phân mảnh nội ở frame 9 (chứa page 5), các địa chỉ ảo > 12287 là các địa chỉ invalid.  Dùng PTLR để kiểm tra truy xuất đến bảng phân trang có nằm trong bảng hay không. Khoa KTMT 48
  49. F) Chia sẻ các trang nhớ Process 1 0 ed 1 0 3 1 data 1 ed 2 1 4 2 data 3 6 Process 2 ed 3 2 3 ed 1 3 1 ed 1 4 ed 2 data 1 0 3 ed 2 1 4 5 2 6 6 ed 3 ed 3 ed 1 3 7 7 data 2 0 3 data 2 8 ed 2 1 4 9 ed 2 2 6 2 10 data 3 3 Process 3 Bộ nhớ thực Khoa KTMT 49
  50. 2.Phân đoạn (segmentation)  Nhìn lại cơ chế phân trang ‟ user view (không gian địa chỉ ảo) tách biệt với không gian bộ nhớ thực. Cơ chế phân trang thực hiện phép ánh xạ user-view vào bộ nhớ thực.  Trong thực tế, dưới góc nhìn của user, một chương trình cấu thành từ nhiều đoạn (segment). Mỗi đoạn là một đơn vị luận lý của chương trình, như ‟ main program, procedure, function ‟ local variables, global variables, common block, stack, symbol table, arrays, Khoa KTMT 50
  51. User view của một chương trình  Thông thường, một chương trình được biên dịch. Trình biên dịch stack sẽ tự động xây dựng các procedure segment. symbol  Ví dụ, trình biên dịch Pascal sẽ table tạo ra các segment sau: function sqrt ‟ Global variables main program ‟ Procedure call stack ‟ Procedure/function code ‟ Local variable  Trình loader sẽ gán mỗi segment một số định danh riêng. Logical address space Khoa KTMT 51
  52. Phân đoạn  Dùng cơ chế phân đoạn để quản lý bộ nhớ có hỗ trợ user view ‟ Không gian địa chỉ ảo là một tập các đoạn, mỗi đoạn có tên và kích thước riêng. ‟ Một địa chỉ luận lý được định vị bằng tên đoạn và độ dời (offset) bên trong đoạn đó (so sánh với phân trang!) Khoa KTMT 52
  53. Phân đoạn (tt) logical address space physical memory space segment 1 segment 2 segment 3 segment 4 Khoa KTMT 53
  54. Cài đặt phân đoạn  Địa chỉ luận lý là một cặp giá trị (segment number, offset)  Bảng phân đoạn (segment table): gồm nhiều mục, mỗi mục chứa ‟ base, chứa địa chỉ khởi đầu của segment trong bộ nhớ ‟ limit, xác định kích thước của segment  Segment-table base register (STBR): trỏ đến vị trí bảng phân đoạn trong bộ nhớ  Segment-table length register (STLR): số lượng segment của chương trình Một chỉ số segment s là hợp lệ nếu s < STLR Khoa KTMT 54
  55. Một ví dụ về phân đoạn stack 1400 procedure procedure segment 3 limit base 2400 segment 0 0 1000 1400 symbol 3200 table 1 400 6300 stack 2 400 4300 function segment 4 sqrt 4300 3 1100 3200 main main program 4 1000 4700 4700 segment 1 segment symbol table segment 2 table 5700 6300 function sqrt logical address space physical memory space Khoa KTMT 55
  56. Phần cứng hỗ trợ phân đoạn segment s table limit base CPU s d yes physical + memory no trap; addressing error Khoa KTMT 56
  57. Chuyển đổi địa chỉ trong cơ chế phân đoạn Ví dụ Khoa KTMT 57
  58. Chia sẻ các đoạn editor limit base 43062 data 1 0 25286 43062 1 4425 68348 segment 0 segment 1 editor segment table process P1 logical address space 68348 process P data 1 1 72773 editor limit base data 2 0 25286 43062 90003 data 2 segment 1 1 8850 90003 segment 0 98853 segment table process P2 logical address space physical memory process P2 Khoa KTMT 58
  59. 3.Kết hợp phân trang và phân đoạn  Kết hợp phân trang và phân đoạn nhằm kết hợp các ưu điểm đồng thời hạn chế các khuyết điểm của phân trang và phân đoạn: ‟ Vấn đề của phân đoạn: Nếu một đoạn quá lớn thì có thể không nạp nó được vào bộ nhớ. ‟ Ý tưởng giải quyết: paging đoạn, khi đó chỉ cần giữ trong bộ nhớ các page của đoạn hiện đang cần. Logic Addr = Khoa KTMT 59
  60. 3.Kết hợp phân trang và phân đoạn Khoa KTMT 60
  61. 3.Kết hợp phân trang và phân đoạn Khoa KTMT 61
  62. Bài tập  Xét một hệ thống với 30 bit địa chỉ logic. Nếu kích thước trang là 1K bytes thì kích thước bảng trang là bao nhiêu giả sử mỗi mục trong bảng trang chứa 4 bytes. Khoa KTMT 62
  63. Bài tập  Cho bảng trang của tiến trình P1. – Địa chỉ ảo 2345 sẽ được chuyển thành địa chỉ vật lý bao nhiêu? – Địa chỉ vật lý 9876 sẽ được chuyển thành địa chỉ ảo bao nhiêu?  Biết rằng kích thước mỗi frame là 1K bytes Khoa KTMT 63
  64. Bài tập  Giả sử bộ nhớ chính được phân thành các phân vùng cĩ kích thước là 100K, 400K, 200K, 300K và 500K ( theo thứ tự ), cho biết các tiến trình cĩ kích thước 212K, 417K, 112K và 426K ( theo thứ tự ) sẽ được cấp phát bộ nhớ như thế nào, nếu sử dụng : a) Thuật tốn First fit b) Thuật tốn Best fit c) Thuật tốn Worst fit d) Thuật tốn Next fit Thuật tốn nào cho phép sử dụng bộ nhớ hiệu qủa nhất trong trường hợp trên ? Khoa KTMT 64
  65. Bài tập  Cho bảng trang của tiến trình P1. – Địa chỉ ảo 3333 sẽ được chuyển thành địa chỉ vật lý bao nhiêu? – Địa chỉ vật lý 8888 sẽ được chuyển thành địa chỉ ảo bao nhiêu?  Biết rằng kích thước mỗi frame là 1K bytes Khoa KTMT 65
  66. Bài Tập  Xét một khơng gian cĩ bộ nhớ luận lý kích thước 1 trang là 1KB. Tính số trang và độ dời (offset) của từng địa chỉ sau: a) 2.375 b) 19.366 c) 30.000 d) 256 e) 16.385 Khoa KTMT 66
  67. Bài Tập  Xét một khơng gian cĩ bộ nhớ luận lý cĩ 64 trang, mỗi trang cĩ 1024 từ, mỗi từ là 2 byte được ánh xạ vào bộ nhớ vật lý cĩ 32 trang: a) Địa chỉ bộ nhớ vật lý cĩ bao nhiêu bit? b) Địa chỉ bộ nhớ luận lý cĩ bao nhiêu bit? c) Cĩ bao nhiêu mục trong bảng phân trang? Mỗi mục chứa bao nhiêu bit? Khoa KTMT 67
  68. Bài tập Xét một hệ thống sử dụng kỹ thuật phân trang, với bảng trang được lưu trữ trong bộ nhớ chính. a) Nếu thời gian cho một lần truy xuất bộ nhớ bình thường là 100 nanoseconds, thì mất bao nhiêu thời gian cho một thao tác truy xuất bộ nhớ trong hệ thống này ? b) Nếu sử dụng TLBs với hit-ratio ( tỉ lệ tìm thấy) là 85%, thời gian để tìm trong TLBs là 20 nanosecond, tính thời gian truy xuất bộ nhớ trong hệ thống ( effective memory reference time) Khoa KTMT 68
  69. Bài tập Xét bảng phân đoạn sau đây : Segment Base Length 0 219 600 1 2300 14 2 90 100 3 1327 580 4 1952 96 Cho biết địa chỉ vật lý tương ứng với các địa chỉ logic sau đây : a. 0,430 b. 1,100 c. 2,500 d. 3,400 e. 4,112 Khoa KTMT 69