Презентация на тему Операционные системы

средства
3.1. Организация памяти современного компьютера

3.2. Функции операционной

системы по управлению памятью
3.3. Алгоритмы распределение памяти
3.3.1. Классификация методов распределения памяти
3.3.2. Распределение памяти фиксированными разделами
3.3.3. Распределение памяти динамическими разделами
3.3.4. Распределение памяти перемещаемыми разделами
3.4. Виртуальная память
3.4.1. Методы структуризации виртуального адресного пространства
3.4.2. Страничная организация виртуальной памяти
3.4.3. Оптимизация функционирования страничной виртуальной памяти
3.4.4. Сегментная организация виртуальной памяти

памяти: Линейное (одномерное) адресное пространство, отражающее особенности аппаратного

обеспечения, но не соответствующее современной технологии создания программного обеспечения.
Для эффективной работы с пользовательскими программами необходимо чтобы:
Модули могли быть созданы и скомпилированы независимо друг от друга, при этом все ссылки из одного модуля в другой разрешаются системой во время работы программы.
Разные модули могли получать разные степени защиты (только чтение, только исполнение и т. п.) за счет весьма умеренных накладных расходов.
Возможно применение механизма, обеспечивающего совместное использование модулей разными процессами (для случая сотрудничества разных процессов в работе над одной задачей).

нс.)
Внутренний кэш, 64 Кбайт, 0,3-0,5 нс.
Кэш второго уровня
1Мбайт SRAM,

1-3 нс.

Основная память

2048 Мбайт DDRAM, 30-60 нс..

Кэш диска

8 Мбайт

Жесткий диск

100 Гбайт,
10 мс.

МЛ

Сотни с.

число процессов
20 %
50 %
80 %

программных (ОС) средств вычислительной системы автоматически без участия программиста

и не сказывается на работе приложения.

Достоинства свопинга: малые затраты времени на преобразование адресов в кодах программ. Недостатки:: избыточность перемещаемых данных, замедление работы системы, неэффективное использование памяти, невозможность загрузить процесс, адресное пространство которого превышает объем свободной оперативной памяти. Недостатки виртуальной памяти: необходимость преобразования виртуальных адресов в физические, сложность аппаратной и программной (ОС) поддержки.

3.1.3. Виртуальная память

Методы виртуализации памяти: свопинг (swapping), виртуальная память (virtual memory).

в ОЗУ
ОС в ОЗУ
ОС в ПЗУ
BIOS
Скрытая память
1 Мбайт
Программа пользователя
Программа

пользователя

60 Кбайт

640 Кбайт

Программа пользователя

Распределение памяти в однопрограммных ОС

мультипрограммных системах
отслеживание (учет) свободной и занятой памяти;
первоначальное и динамическое

распределение памяти процесса приложений и сомой ОС;
освобождение памяти при завершении процессов;
настройка адресов программы на конкретную область физической памяти;
полное или частичное вытеснение кодов и данных процессов из ОП на диск, когда размеры ОП недостаточны для размещения всех процессов и возвращение их в ОП;
защита памяти, выделенной процессу, от возможных вмешательств со стороны других процессов;
дефрагментация памяти.

программе на алгоритмическом языке
Транслятор
Условные адреса, вырабатываемые транслятором
Номера ячеек физической

памяти

1. Перемещающий загрузчик (статическое преобразование) 2. Динамическое преобразование (аппаратные средства)

памяти
Методы распределения памяти
Без использования внешней памяти
С использованием внешней памяти
Фиксированными

разделами

Динамическими разделами

Перемещаемыми разделами

Страничное распределение

Сегментное распределение

Сегментно-страничное распределение

OS/360)
Операционная система 8 М
Программа №1, 4М
Программа №2, 3М
Программа №3,

7М

8М

8М

8М

8М

Разделы одинакового размера

Операционная система 8 М

Программа №1, 4М

Программа №2, 3М

Программа №3, 7М

Разделы разного размера

Неиспользованная память

М
2 М
4 М
8 М
12 М
Новые процессы
Очереди для каждого раздела
Общая

очередь для всех разделов

размера. Очередь к каждому разделу.
Достоинство: возможность распределения процессов

между разделами с минимизацией внутренней фрагментации.
Недостаток: возможно неэффективное использование памяти за счет «простоя» больших разделов при наличии только небольших процессов.

1. Разделы одинакового размера. Недостатки:
необходимость разработки оверлеев при больших размерах программ;
неэффективное использование памяти (внутренняя фрагментация)

3. Разделы разного размера. Общая очередь к разделам.
Достоинство: улучшается использование памяти.

Достоинства: простота, минимальные требования к операционной системе. Недостатки: 1) количество разделов, определенных во время генерации ОС (режим MFT OS/360), ограничивает число активных процессов; 2) неэффективное использование памяти.

сравнению с фиксированными разделами. Недостаток: внешняя фрагментация
Функции ОС для

реализации метода MVT OS/360 (ЕС ЭВМ):
ведение таблиц свободных и занятых областей ОП с указанием начального адреса и размера ;
при создании нового раздела просмотр таблиц и выбор раздела, достаточного для размещения процесса (наименьший или наибольший достаточный из свободных);
загрузка процесса в выделенный раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей основной памяти;
после завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

в сторону старших или младших адресов при каждом завершении

процесса или для вновь создаваемого процесса в случае отсутствия раздела достаточного размера.
Коррекция таблиц свободных и занятых областей.
Изменение адресов команд и данных, к которым обращаются процессы при их перемещении в памяти за счет использования относительной адресации.
Аппаратная поддержка процесса динамического преобразования относительных адресов в абсолютные адреса основной памяти.
Защита памяти, выделяемой процессу, от взаимного влияния других процессов.

Достоинства распределения памяти перемещаемыми разделами: эффективное использование оперативной памяти, исключение внутренней и внешней фрагментации. Недостаток: дополнительные накладные расходы ОС.

адрес
Компаратор
ОС
Граничный регистр
Программа
Данные
Прерывание ОС
Стек
Абсолютный адрес
Аппаратная поддержка перемещения

пространства
1962 г. – Kilburn T. и др. “One –Level

Storage System”

Методы реализации виртуальной памяти:
Страничная виртуальная память – организует перемещение данных между ОП и диском страницами – частями виртуального адресного пространства фиксированного и сравнительно небольшого размера.
Сегментная виртуальная память предусматривает перемещение данных сегментами – частями виртуального адресного пространства произвольного размера, полученными с учетом смыслового значения данных.
Сегментно-страничная виртуальная память использует двухуровневое деление: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегменты делятся на страницы. Единицей перемещения данных является страница.
Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится специальная область – страничный файл или файл подкачки (paging file).

процесса 1
Виртуальное адресное пространство процесса 2
Виртуальные страницы
Виртуальные страницы
0
1
2
.
.
k
n
0
1
2
Таблица страниц

процесса 1

Nф.с.

P

A

D

W

P

A

Таблица страниц процесса 2

Nф.с.

D

W

Магнитный диск

Физическая память

0123456789 . . . .

01234

5

ВП

ВП

9

2

Страничный обмен

1

1

1

0

Стр. 4 процесса 1

Стр. 3 процесса 1

01234

3

Стр. 1 процесса 2

Стр. 0 процесса 1

1

0

0

1

адрес таблицы страниц
ОС
+
Таблица страниц
Nф.с.
P
A
D
W
N1
N2
1 0 1

0

1 0 1 0

1 0 0 0

N2

SF

Оперативная память

N2

SF

0

AT

повышения эффективности функционирования
страничной виртуальной памяти:

1. Структуризация виртуального

адресного пространства, например, двухуровневая (типичная для 32-битовой адресации).
2. Хранение активной части записей таблицы страниц в высокоскоростном КЭШе или буфере быстрого преобразования адреса (translation lookaside buffer – TLB).
3. Выбор оптимального размера страниц.
4. Эффективное управление страничным обменом, использование оптимальных алгоритмов замены страниц.

страниц
10 бит
10 бит
12 бит
Виртуальный адрес
Смещение
N физ. стр.
+
+
4 Кбайт
4 Кбайт

(1024 записи)

Корневая таблица страниц (1024 записи)

Таблица страниц размером

Страничное прерывание

Оперативная память

Смещение
Основная память
Поиск в TLB успешен
Поиск в TLB неуспешен
Загрузка

страницы

Ошибка обращения к странице (страничное прерывание)

Обновление таблицы страниц

Буфер быстрого преобразования адреса

1 1 0

45312

7812 0 1 1 0 22233

912 0 1 1 1 6253

452 1 1 1 0 1234

34233 1 1 1 0 53

11233 0 1 1 0 453

452

674

Номер страницы

Смещение

Номер страницы

Управляющая информация

Номер физической страницы

1234

Номер физической страницы

674

Смещение

Реальный адрес

TLB

адрес
Отсутствует
Имеется
Значение
Отсутствует
Взаимодействие кэша основной памяти и TLB

внутренняя фрагментация.
С уменьшением размера страницы увеличивается объем страничных таблиц

и следовательно накладные расходы на работу виртуальной памяти.
С увеличением размера страниц повышается скорость работы диска.
Частота страничных прерываний нелинейно зависит от размера страниц

Размер страницы

P

N

W

Количество выделенных физических страниц

Частота возникновения прерываний из-за отсутствия страниц

Частота возникновения прерываний из-за отсутствия страниц

P – размер процесса в страницах
N – общее количество страниц процесса
W – размер рабочего множества

когда передавать страницу в основную память;
- где размещать

страницу в физической памяти;
- какую страницу основной памяти выбирать для замещения, если в основной памяти нет свободных страниц;
- сколько страниц процесса следует загрузить в основную память;
- когда измененная страница должна быть записана во вторичную память;
- сколько процессов размещать в основной памяти.

ВОЗМОЖНЫЕ АЛГОРИТМЫ
Стратегия выборки (когда?)
По

требованию, предварительная выборка

Стратегия размещения (где?)

Первый подходящий раздел для сегментной виртуальной памяти. Любая страница физической памяти для сегментно-страничной и страничной организации памяти.

Стратегия замещения (какие?)

Оптимальный выбор, дольше всех не использовавшиеся, первым вошел – первым вышел (FIFO), часовой, буферизация страниц.

Управление резидентным множеством (сколько?)

Фиксированный размер, переменный размер, локальная и глобальная области видимости.

Стратегия очистки (когда?)

По требованию, предварительная очистка

Управление загрузкой (сколько?) и приостановкой процессов

Рабочее множество, критерии L = S (среднее время между прерываниями = среднему времени обработки прерывания) и 50%

= 1
Страница 1 use = 1
Страница 17 use =

1

Страница 19 use = 0

Страница 563 use = 0

Указатель буфера

Страница 9 use = 0

Страница 21 use = 1

Страница 1 use = 0

Страница 17 use = 0

Страница 11 use = 1

Страница 563 use = 0

Указатель буфера

0

1

2

3

4

N - 1

N - 1

0

1

2

3

4

Часовая стратегия замещения

Состояние буфера перед замещением страниц

Состояние буфера после замещения страниц

кодировки символов достигла таблицы с исходным текстом
Исходный текст
Таблица констант
Свободно
Дерево

синтаксического анализа

Стек вызовов

Виртуальное адресное пространство

При компиляции возможно создание следующих сегментов:
Исходный текст, сохраненный для печати листинга программы.
Символьная таблица, содержащая имена и атрибуты переменных.
Таблица констант.
Дерево грамматического разбора, содержащее синтаксический анализ программы.
Стек, используемый для процедурных вызовов внутри компилятора.

Страничная Сегментация

Нужно ли программисту знать о том, что используется эта техника?

Сколько в системе линейных адресных пространств?

Может ли суммарное адресное пространство превышать размеры физической памяти?

Возможно ли разделение процедур и данных, а также раздельная защита для них?

Легко ли размещаются таблицы с непостоянными размерами?

Облегчен ли совместный доступ пользователей к процедурам?

Зачем была придумана эта техника?

Нет

Да

1

Много

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Да

Да

Да

Чтобы получить большое линейное адресное пространство без затрат на физическую память

Для разбиения программ и данных на независимые адресные пространства, облегчения защиты и совместного доступа

адрес
Таблица сегментов
Базовый адрес
Размер
Управляющая информация
Управляющая информация:

P – присутствие; M – модификация; U – использование; Sh – разделение; S – защита.

Недостатки сегментной организации: 1. Увеличение времени преобразования виртуального адреса в физический. 2. Избыточность перемещаемых данных. 3. Внешняя фрагментация памяти.

сегментов
+
+
Программа
Механизм сегментации
Механизм страничной организации
Основная память
Начальный адрес таблицы сегментов
Номер сегмента
Начальный

адрес таблицы страниц

Таблица сегментов

Таблица страниц

Номер страницы

Номер физ. страницы

Смещение

Смещение

2
ВП N
Способы создания разделяемого сегмента памяти

1. 4 Гбайт виртуального адресного пространства (2 Гбайт –

ОС, 2 Гбайт – пользовательская программа). 2. 16 К независимых сегментов (8к локальных и 8К глобальных).

Процесс ОС и системные сегменты

2

1

Уровень привилегий RPL = 0 - 3

GDT – 0, LDT - 1

Индекс – номер сегмента (13 разр.)

СЕЛЕКТОР

LDT - локальная таблица дескрипторов прикладного процесса

GDT – глобальная таблица дескрипторов процессов ОС и системных сегментов

GDTR

LDTR

Дескриптор сегмента

Начальный адрес сегмента в физической памяти