gerÊncia de memÓria virtual
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GERÊNCIA DE MEMÓRIA
VIRTUALArquitetura de Sistemas Operacionais - Capitulo 10de Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia
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Sumário Introdução Espaço de Endereçamento Virtual Mapeamento Memória Virtual por Paginação
◦ Política de Busca de Páginas◦ Política de Alocação de Páginas◦ Política de Substituição de Páginas◦ Working Set◦ Algoritmo de Substituição de Páginas◦ Tamanho de Página◦ Paginação em Múltiplos Níveis
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Memória Virtual por Paginação (cont.)◦ Translation Lookaside Buffer◦ Proteção de Memória◦ Compartilhamento de Memória
Memória Virtual por Segmentação
Memória Virtual por Segmentação com Paginação Swapping em Memória Virtual Thrashing
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Introdução
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O que é Memória Virtual ?
Memória virtual é uma técnica de gerênciade memória, onde as memórias principal e
secundária são combinadas, dando ao usuárioa ilusão de uma memória maior que acapacidade real.
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Na prática como funciona?
O conceito de memória virtual baseia-seem não vincular o endereçamento feito pelo
programa dos endereços físicos da memóriaprincipal. Desta forma, programas e suasestruturas de dados deixam de estarlimitados ao tamanho da memória física pois
podem possuir endereços associados amemória secundária.
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Vantagens...
Maximizar o número de processos na memória. Reduzir a fragmentação. Permitir estruturas e dados maiores que a
memória.
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Espaço de Endereçamento Virtual
Em ambientes ondea memória virtual éimplementada, o espaçode endereçamento doprocesso é conhecidocomo espaço deendereçamento virtuale representa o conjuntode endereçamentosvirtuais que o processopode endereçar.
Endereço Físico
500
501
502
503
504
.
.
.
599
VET [1]
VET [2]
VET [3]
VET [4]
VET [5]
.
.
.
.
.
.
VET [100]
•Vetor de 100 posições
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Espaço de Endereçamento Virtual
E s p a ç o d e
e n d e r e ç a m e n t o v i r t u a l
E s p a ç o d e e n d e r e ç a m
e n t o r e a l
Endereço vir tual 0
Endereço vir tual 1
Endereço vir tual 2
Endereço vir tual 3
Endereço vir tual 4
Endereço vir tual 5
..
.
Endereço virtual V
Endereço real 0
Endereço real 1
Endereço real 2
Endereço real 3
.
.
.
Endereço real R
•
Espaço de Endereçamento Virtual e Real
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Mapeamento
Um programa noambiente de memóriavirtual não faz referênciaa endereços físicos de
memória , mas apenasendereços virtuais. Nomomento da execuçãoda instrução, oendereço virtual, uma
vez solicitado étraduzido para umendereço físico, essatradução é chamada de
mapeamento.
Memória Virtual
Memória Principal
Mapeamento
.
.
.
.
..
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Mapeamento
O mecanismo de tradução que érealizada por um hardware junto com osistema operacional se encarrega demanter tabelas de mapeamento
exclusivas para cada processo,relacionando endereços virtuais doprocesso às suas posições na memóriareal. Se um novo processo é executado, o
sistema passa a referenciar a tabela donovo processo. Essa troca de tabelas érealizada através de um registrador.
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Mapeamento
Tabela deMapeamento
Processo A
Espaço de
endereçamentovirtual de A
Endereço virtual 1
.
.
.
Tabela demapeamento
de A
Espaço deendereçamento
virtual de B
Endereço virtual 1
.
.
.
Tabela demapeamento
de B
Processo B
Memória Principal
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Mapeamento
As tabelas mapeiam blocos de dadoscujo tamanho determina o numero deentradas existentes nas tabelas de
mapeamento. Quanto maior o bloco, menosentradas nas tabelas de mapeamento e porconseqüência, tabelas de mapeamento queocupam um espaço menor de memória.
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Mapeamento
•Espaço virtual x tamanho do bloco
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Memória Virtual por Paginação
A memória virtual por paginação é a técnicade gerência por memória onde o espaço de
endereçamento virtual e o real são divididos emblocos de mesmo tamanho chamados páginas.As páginas no espaço virtual são chamadas depáginas virtuais, enquanto as páginas no
espaço real são denominadas de páginas reaisou frames.
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Memória Virtual por Paginação
Todo mapeamento de endereço virtual emreal é feito através de tabelas de páginas.Cada processo possui sua própria tabela ecada página virtual do processo possui umaentrada na tabela (Entrada na Tabela dePáginas – ETP), com informações de
mapeamento que permitem ao sistema localizara página real correspondente.
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Memória Virtual por Paginação
Tabela de páginasMemória Vir tual
.
.
.
.
Página virtual 0
Página virtual 1
Página virtual 2
Página virtual V
Tabela de
páginas
ETP
Memória Principal
Memória Secundár ia
.
.
.
Página real 0
Página real 1
Página real R
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Memória Virtual por Paginação
Quando um programa é executado, aspáginas virtuais são transferidas da memóriasecundária para a memória principal ecolocadas nos frames. Sempre que umprograma fizer referência a um endereço virtual,o mecanismo de mapeamento localizará naETP da tabela do processo o endereço físico do
frame no qual se encontra o endereço realcorrespondente.
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Memória Virtual por Paginação
Nessa técnica o endereço virtual é formadopelo número da página virtual (NPV) e por umdeslocamento. O NPV identifica somente apágina virtual que contém o endereço,
funcionando como o índice na tabela depáginas. O deslocamento indica a posição doendereço virtual em relação ao início da páginana qual se encontra. O endereço físico é
obtido, então, combinando-se o endereço doframe, localizado na tabela de páginas, com odeslocamento contido no endereço virtual.
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Memória Virtual por Paginação
Tradução do
endereço virtual
Página virtual
Deslocamento
Endereço vi rtual
Desloc.NPV
End. do frame
ETP
Tabela de páginas
End. do frame Desloc.
Frame
Deslocamento
Endereço físico
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Memória Virtual por Paginação
Além da informação sobre a localização dapágina virtual, a ETP possui outrasinformações, como o bit de validade (validad
bit) que se indica se uma página está ou não namemória principal. Se o bit tem o valor 0significa que a página virtual não está namemória principal, mas se igual a 1, a página
está localizada na memória.
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Memória Virtual por Paginação
Sempre que o processo referencia umendereço virtual, a unidade de gerência dememória verifica, através do bit de validade, sea página que ,o endereço referenciado está ounão na memória principal. Caso a página nãoesteja na memória, dizemos que ocorreu umpage fault. Neste caso o sistema transfere a
página da memória secundária para a memóriaprincipal, realizando uma operação de E/Sconhecida como page in ou paginação.
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Memória Virtual por Paginação
Mecanismode tradução
O número de
page faults geradopor um processoem umdeterminado
intervalo de tempoé definido comotaxa de paginação do processo.
Endereço virtual
Tabela de páginas
Bit de validade
0
Memória Principal
Memória secundária
P a g e f a u l t
Tabela de páginas
Bit de validade
1
Memória Principal
Memória secundária
Page in
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Política de Busca de Páginas
Determina quando uma página deve sercarregada para a memória.
Paginação por demanda: As páginas do
processo são transferidas da memóriasecundária para a principal quandoreferenciadas.
Paginação antecipada: O sistema carrega
para a memória principal, além das páginasreferenciadas, outras páginas que podem ounão ser necessárias ao processo ao longo doprocessamento.
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Política de Alocação de PáginasDetermina quantos frames um processo pode
manter na memória principal. Alocação fixa: Cada processo tem um número
máximo de frames que pode ser utilizado durante
a execução do programa. Caso o número depáginas reais seja insuficiente , uma página doprocesso deverá ser descartada para que umanova seja carregada.
Alocação variável: O número máximo depáginas alocadas ao processo poderá variardurante sua execução em função de sua taxa depaginação e da ocupação da memória principal.
Exige monitoramento constante.
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Políticas de Substituição de Páginas
Mecanismo dosistema operacionalque determina qualpágina será liberada
após um processoatingir o seu limite dealocação de frames enecessita alocar novaspáginas na memóriaprincipal.
Memória Principal
Arquivo depaginação
P a g e o u t
Page in
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Políticas de Substituição de Páginas
Qualquer estratégia desubstituição depáginas deveconsiderar se uma
página foi ou nãomodificada antes deliberá-la, casocontrário, os dados
armazenados napágina podem serperdidos.
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Políticas de Substituição de Páginas
O Sistema operacional consegue identificaras páginas modificadas através do bit que existeem cada entrada da tabela de páginas, chamado
de bit de modificação (dirty bit ou modify bit).Sempre que uma página sofre uma alteração, ovalor do bit de modificação é alterado, indicandoque a página foi modificada.
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Políticas de Substituição de Páginas
Política de Substituição de Local: Apenas aspáginas do processo que gerou são page faultcandidatas a ter páginas realocadas os demaisnão sã avaliados.
Política de Substituição Global: Todas aspáginas na memória principal são candidatas,independente do processo que gerou o pagefault. Exceto algumas páginas como as donúcleo do sistema que são marcadas comobloqueadas e não podem ser realocadas.
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Working SetO conceito surgiu com objetivo de reduzir o
problema do thrashing e está relacionado aoprincipio de localidade.
Localidade Espacial: É a tendência de queapós uma referência a uma posição dememória sejam realizadas novas referências aendereços próximos.
Localidade Temporal: É a tendência de queapós a referência a uma posição de memóriaesta mesma memória seja novamentereferenciada em um curto intervalo de tempo.
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Working SetA partir da observação do principio da
localidade, Peter Denning formulou o conceitode working set que é definido como sendo oconjunto das páginas referenciadas por umprocesso durante determinado intervalo de
tempo.
tempo
P2 P3 P2 P8
t1 t2
Janela do working set ( t)
W(t , t)2
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Working Set
Tamanho do Working Set
tempo
P2 P3 P4 P5 P2 P5 P5 P5 P5 P6
t1 t2 t3
ta tb
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Algoritmos de Substituição de Páginas
Tem o objetivo de selecionar os framesque tenham as menores chances de seremreferenciados em um futuro próximo, caso
contrário, o frame poderia voltar diversas vezespara a memória principal, gerando vários pagefaults e acesso a memória secundária. A seguiros principais algoritmos existentes.
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Ótimo: seleciona para substituição uma páginaque não será mais referenciada no futuro ouaquela que levará o maior intervalo de tempopara ser novamente utilizado
Aleatório: Não utiliza critério algum de seleção,todas as páginas tem o mesmo direito de seremselecionadas.
FIFO (First –In- First - Out): A página que foi
primeiro utilizada, ou seja, a memória selecionaa página mais antiga.
Algoritmos de Substituição de Páginas
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Algoritmos de Substituição de Páginas
Páginamais antiga
Páginamais recente
saída entrada
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Algoritmos de Substituição de Páginas
LFU (Least-Frequently-Used): Selecionapáginas menos referenciadas. Evitando excluirpáginas bastante utilizadas.
LRU (Least- Recently-Used): Selecionapáginas na memória principal que está a muitotempo sem ser referenciada. Considerando oprincipio da localidade, se uma página não foi
utilizada provavelmente não será referenciadaem um futuro próximo!
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Algoritmos de Substituição de Páginas
NRU (Not-Recently-Used): Para implementaçãodesse algoritmo é necessário um bit adicional,conhecido como bit de referência. O bit indica se apágina foi utilizada recentemente e está presenteem cada entrada da tabela de páginas.
FIFO com buffer de páginas: Combina uma listade páginas alocadas (LPA) com uma lista depáginas livres (LPL). A LPA organiza todas aspáginas que estão sendo utilizadas na memóriaprincipal, podendo ser implementada como umalista única. A LPL organiza todos os frames livres damemória principal.
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Algoritmos de Substituição dePáginas
Bits de referência e modificação
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Algoritmos de Substituição de Páginas
FIFO com Buffer de Páginasinício fim
iníciofim
(a) (c)(b)
Lista de páginas livres
Lista de páginas alocadas
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Algoritmos de Substituição de Páginas
FIFO Circular (Clock)
P1
P2
P3
P4P5
Pn
BR= 1
BR= 1
BR= 0
páginamais
antiga
(a)
P1
P2
P3
P4P5
Pn
BR= 0
BR= 0
BR= 0
páginaselecionada
(b)
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Tamanho de Página
Fragmentação interna
Página 0
Página 1
Página 2
Página 3
Página 4
PROGRAM Frag;VAR
PROCEDURE A;
END;
BEGIN
END.
Fragmentação
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Paginação em Múltiplos Níveis
Paginação em um nível
0
1
2
(2 -1)
20
Tabela de páginas
Desloc.NPV
12 bits20 bits
Endereço Virtual
32 bits
4 Mb
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Paginação em Múltiplos Níveis
Endereço virtual em dois níveis
Tabela diretório
Desloc.12 bits
NPV 110 bits
Endereço Virtual
NPV 210 bits
Tabela de páginas
frame
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Paginação em Múltiplos Níveis
Paginaçãoem dois níveis
Memória Principal
1023
Tabela diretório
0
1
2
3
0
1
2
1023
Tabela de pági nas 1
3
0
1
2
1023
Tabela de pági nas 0
3
0
1
2
1023
Tabela de páginas 1023
3
frame 100
frame 2000
frame 4000
frame 300 100
4000
2000
300
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Translation Lookaside Buffer
Memória principal
Desloc.NPV
Endereço Virtual
Translati on Lookaside Buffer (TLB)
BV Tag End. Físico
0
1
0
1
0
1
Tabela de mapeam ento
BV End. Físico
1
1
1
0
1
0
1
Memória secundária
Translation Lookaside Buffer (TLB)
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Translation Lookaside Buffer
Campos da TLB
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Proteção de Memória
Proteção para páginas
L G
Endereço da
página/segmento
Bits de proteção
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Proteção de Memória
Mecanismo de proteção
Descrição
Sem acessoAcesso de leitura
Acesso para leitura/gravação
LG
001011
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Compartilhamento de Memória
Processo A
Espaço deendereçamento
virtual de A
Endereço virtual 1
.
.
.
Tabela demapeamento
de A
Espaço deendereçamento
virtual de B
Endereço virtual 1
.
.
.
Tabela demapeamento
de B
Processo B
Memória Principal
Página
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Memória Virtual por Segmentação
Segmentação
PROGRAM Segmento;
VAR A: ARRAY...C: ...
PROCEDURE X;
END;
FUNCTION Y;
END;
BEGIN
END.
Procedimento X
Programa Principal
Função Y
Array A
Variável C
.
.
.
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Memória Virtual por Segmentação
Tradução doendereço virtual
Deslocamento
Endereço virtual
Desloc.
End. do segmento
ETS
Tabela de segmentos
Desloc.
Segmento namemória principal
Deslocamento
Endereço físico
Segmento vir tual
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Memória Virtual por Segmentação
Campos da ETS
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Memória Virtual por Segmentação
Paginação x segmentação
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Memória Virtual por Segmentação comPaginação
Endereço do frame Deslocamento
DeslocamentoNum.
segmentoNum.
página
Endereço virtual
Segmento virtual
End. da tabela de páginas
ETS
Tabela de segmentos
Endereço do frame
ETP
Tabela de páginas
Ender eço físico
Segmentaçãocom paginação
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Swapping em Memória VirtualMemória Principal
Processo A
Processo B
Processo E
Processo D
Processo CProcesso F
Memória Principal
Processo A
Processo F
Processo B
Processo D
Processo CArquivo deswapping
Processo B
S w a p o u
t
S w a p
i n
Swapping emmemória virtual
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Thrashing
Excessiva transferência de páginas e/ousegmentos entre a memória principal ememória secundária
Ocorre em dois níveis:◦ no próprio processo
◦ no sistema
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Thrashing
Se existirem mais processos para seremexecutados que memória real disponível, aúnica solução é a expansão da memóriaprincipal.
Este problema não ocorre apenas em sistemasque implementam memória virtual, mastambém em sistemas com outros mecanismos
de gerência de memória
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Alunos:
Rita de Cássia Portugal Gomes Gavinho Dayana Mafilzo Campos Ribeiro Laurence Labuto Saad Turma: 123