5 Speicherverwaltung Pufferspeicher (cache)

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1 5 Speicherverwaltung Pufferspeicher (cache)
Primärspeicher/Arbeitsspeicher realer Speicher (memory) Sekundärspeicher/Hintergrundspeicher (backing store) Tertiärspeicher/Archivspeicher Adressraum (address space) Hier weiter am 20.5. bs-5

2 5.1 Elementare Adressraumverwaltung
Zur Erinnerung – Arbeitsspeicher und Prozessor: Speicheradresse, reale Adresse (memory/physical address) identifiziert Arbeitsspeicherzelle (location) Programmadresse, virtuelle Adresse (program/virtual address) = vom Prozessor formulierbare Adresse Adressraum des Prozessors (processor address space) = alle Programmadressen bs-5

3 5.1.1 Adressumsetzung ist Aufgabe der Hardware:
Adressumsetzer (memory management unit, MMU) bildet Programmadressen auf Speicheradressen ab: Arbeitsspeicher Prozessor MMU Speicherzugriff 4711 bs-5

4 MMU für zusammenhängende Speicherbereiche:
Basisregister (base register), enthält Basisadresse, Längenregister (length register), enthält Länge. bs-5

5 MMU für zusammenhängende Speicherbereiche:
Basisregister (base register), enthält Basisadresse, Längenregister (length register), enthält Länge. Adressumsetzung für eine Programmadresse address: if address < length then location = base + address else address fault trap address (Programmadressen) Arbeits- speicher length base location (Speicheradressen) bs-5

6 Basisadresse und Länge
werden üblicherweise in größeren Einheiten gemessen (z.B. units, blocks, ...) Vereinfachende Voraussetzung: Block im Speicher entspricht Sektor/Block im Hintergrundspeicher (Platte) bs-5

7  „Adressraum“ wird auch in anderer Bedeutung gebraucht:
aktueller Adressraum des Prozessors = alle aktuell erlaubten Programmadressen, z.B. bei obiger MMU alle address < length Adressraum eines Prozesses = gemäß einem Prozessattribut length alle address < length oder auch = Inhalt (Code + Daten) eines Prozesses oder auch = Code+Daten-Paket, das einmal Inhalt eines Prozesses werden kann bs-5

8 Prozessormodus (processor mode) (Bits im PSW)
– z.B. user/system oder user/supervisor/kernel oder ... – bestimmt  Zulässigkeit privilegierter Befehle,  evtl. Unterbrechungsunterdrückung,  aktuellen Adressraum des Prozessors, z.B. im Benutzermodus: Adressumsetzung wie oben, im Systemmodus: Adressumsetzung abgeschaltet (!) oder Adressumsetzung mit anderem Registersatz bs-5

9 bei Wechsel des Prozessormodus im PSW, d.h. bei Unterbrechung
Adressraumwechsel bei Wechsel des Prozessormodus im PSW, d.h. bei Unterbrechung bei IRET/RTI Merke: Eine Unterbrechung führt i.d.R. zu einem neuen Adressraum – das muss aber nicht notwendig so sein (BS bestimmt neues PSW!). Beachte: Der neue Adressraum kann sich mit dem alten überlappen oder kann von diesem völlig disjunkt sein. bs-5

10 5.1.2 Adressraumumschaltung
Betriebssystem profitiert von der Adressumsetzung:  Verschieblichkeit (relocatability) von Prozessen: Programm kann an beliebige Stelle des Speichers geladen werden, ohne dass dabei Adressen im Programm (z.B Sprungadressen) entsprechend angepasst werden müssten; Prozesse können ohne Modifikation verschoben werden.  Speicherschutz (memory protection): Prozess kann weder absichtlich noch unabsichtlich auf andere als die ihm zugeordneten Speicherzellen zugreifen. bs-5

11 Inhalt der MMU-Register ist Teil des Prozessorstatus
und damit auch Teil des Prozessstatus !  Betriebssystem ist zuständig für geeignetes Laden der MMU-Register bei Aktivierung eines Prozesses (vgl. 3.2 und 2) mit privilegiertem Befehl oder über spezielle Adressen. ! Unterscheide also zwischen  Adressraumumschaltung als Teil der Prozessumschaltung,  tatsächlichem Adressraumwechsel (Unterbrechung, RTI). bs-5

12 Adressraumänderung Prozessattribute base/length : Initialisierung ? Änderung ? ! Muss notwendig von der Speicherverwaltung ausgehen, die über die Speicherbelegung Buch führt ( 5.2) 2 Varianten:  Speicherverwaltung greift direkt auf Prozessdeskriptor zu – falls im gleichen Adressraum wie Prozessverwaltung –  Speicherverwaltung benutzt entsprechende Operation der Prozessverwaltung bs-5

13 Prozessattribute base/length werden gesetzt beim
 Initialisieren eines Prozesses (fork) – length kopieren vom Erzeuger, base gemäß Speicherbelegung  Laden eines Programms (exec) – length gemäß Angabe in Datei, Verschieben des Prozesses – base gemäß Speicherbelegung  Verändern der Adressraumgröße (brk u.ä.) – length ändern, eventuell auch base , falls Verschieben erforderlich bs-5

14 5.2 Elementare Arbeitsspeicherverwaltung
für zusammenhängende Speicherbereiche, ohne Umlagerungen: Aufruf impliziert fork Belegung (allocation, Zuweisung) für neuen Prozess [Alloziierung – falsche Übersetzung] exec Vergrößern/Verkleinern des Prozessbereichs brk Vergrößern/Verkleinern des Prozessbereichs exit Freigabe (deallocation) des Prozessbereichs bs-5

15 Typische Schnittstelle der Buchführung über Speicherbelegung:
interface Allocation { int allocate(int length); // belegt Bereich der Größe length // und liefert dessen Adresse, // sofern verfügbar, sonst 0 void deallocate(int base, int length); // gibt Bereich der Größe length frei, // der bei base beginnt } bs-5

16 Typische Implementierungen wie für die Halde (ALP 3!):
Repräsentation: Bitliste verkettete Liste Belegungsstrategien: first-fit, ... Problem: Speicherverschnitt, extern/intern (fragmentation) Externer Verschnitt kann im Prinzip durch Kompaktifizierung (compaction) beseitigt werden (wenig üblich). bs-5

17 Verschiebung einzelner Prozesse ist aber unvermeidlich,
wenn Vergrößern unterstützt werden soll, wenn dadurch für neuen Prozess Platz geschaffen werden kann, der sonst nicht vorhanden ist Dank der MMU ist Verschiebung einfach realisierbar ! (Übung: implementiere Kompaktifizierung !) bs-5

18 5.3 Prozessumlagerung (process) swapping
= Umlagerung des Adressraums eines Prozesses zwischen Arbeitsspeicher und Hintergrundspeicher, falls Arbeitsspeicher zu klein für alle Prozesse (aber groß genug für jeden einzelnen Prozess!) Arbeits- speicher auslagern (swap out) einlagern (swap in) Auslagerungsbereich (swap area) (so im Ur-Unix; bei alten IBM-Systemen: „roll-in/roll-out“) bs-5

19 Zustände eines Prozesses (vgl. 1.1.2),
bezogen auf den Besitz der Betriebsmittel 1. Prozessor, 2. Arbeitsspeicher, 3. 3. Ressource: Prozessor aktiv Arbeitsspeicher blockiert bereit 3. Ressource schlafend wartend bs-5

20 Entwurf der Speicherverwaltung (vgl. 4.2 ):
Aufrufe/Aufträge, z.B. durch fork, brk, ... hochpriorisierter, speicherresidenter Systemprozess, regelmäßig aktiv nach Ablauf eines Zeitquantums (quantum  timeSlice) Operationen Umlagerer (swapper) Verwaltungsdaten bs-5

21 5.3.1 Verwaltungsdaten Speicherverwaltung führt Buch über
Arbeitsspeicherbelegung (wie in 5.2) Allocation memory Belegung des Auslagerungsbereichs Allocation swaparea eingelagerte Prozesse SwapoutList present ausgelagerte Prozesse SwapinList absent bs-5

22 Auch bei der Umlagerung ist wichtig die
Trennung von Mechanismen und Strategien: Auslagerungstrategie wird bestimmt durch die Implementierung von present.remove() Einlagerungstrategie absent.remove() bs-5

23 5.3.2 Umlagerungsmechanismen
Achtung: nicht alle Prozesse müssen auslagerbar sein; z.B. können dringliche Systemprozesse grundsätzlich speicherresident sein. Jedem auslagerbaren Prozess ist eine physikalisch zusammenhängende Folge von Blöcken/Sektoren im Auslagerungsbereich zugeordnet. Die Nummer des ersten Blocks heißt Auslagerungsadresse. Die Basis- adresse base eines ausgelagerten Prozesses ist 0 . bs-5

24  Für den Zugriff auf den Auslagerungsbereich gibt es
Voraussetzungen:  Für den Zugriff auf den Auslagerungsbereich gibt es einen Plattentreiber mit Schnittstelle (statt IO(4.2)) interface Driver { void input (int base, int length, int addr); void output(int base, int length, int addr); }  Eine Klasse Timer erlaubt die Erzeugung von virtuellen Zeitgeber-Objekten: class Timer {... public wait(int time); } bs-5

25  Die Klasse Process verfügt über Operationen
start/stop : stop versetzt einen Prozess in einen Zustand, in dem er bei der Auswahl aus der Bereitliste ignoriert wird; start erlöst ihn aus diesem Zustand.  Der Umlagerungsprozess befindet sich im gleichen Adressraum wie der Kern.  Ein/Ausgabe der Prozesse wird über Pufferbereiche des E/A-Systems abgewickelt, nie direkt zwischen Gerät und Prozess-Adressraum. bs-5

26 class SwappableProcess extends Process {
static final Driver disk = ...; final int backupBase; // Auslagerungsadresse final int backupLength;// Anzahl der Blöcke final int swapTime; // letzte Umlagerung public void swapout() { disk.output(backupBase, backupLength, status.base);}// (3.1) public void swapin() { disk.input (backupBase, status.base);} } bs-5

27 public SwappableProcess(SwappableProcess p){ super(); if(p != null){
status = p.status; backupLength = p.backupLength; } } (Konstruktor erlaubt „Klonen“ zum Zwecke von fork) bs-5

28 static final Timer timer = new Timer();
process Swapper { static final Timer timer = new Timer(); static final int freeMemory = ...; static final Allocation memory = new Allocation(freeMemory); static final int freeDisk = ...; static final Allocation swaparea = new Allocation(freeDisk); static final SwapoutList present = new SwapoutList(); static final SwapinList absent = new SwapinList(memory); bs-5

29 static{while(true) { // swapper permanent loop timer.wait(quantum);
Process victim = present.remove(); if(victim == null) continue; swapout(victim); // siehe unten do {Process lucky = absent.remove(); if(lucky == null) break; swapin(lucky); // siehe unten while(true); } bs-5

30 private void swapout(Process victim){ victim.stop();
victim.swapout(); // swapper blocks! memory.deallocate(victim.base,victim.length); absent.add(victim); } private void swapin(Process lucky){ present.add(lucky); lucky.base = memory.allocate(lucky.length); lucky.swapin(); // swapper blocks! lucky.start(); } victim.stop() may happen in the middle of fork() ! bs-5

31 public int fork(){//from first-level trap handler
SwappableProcess parent = (SwappableProcess)Process.current(); SwappableProcess child = new SwappableProcess(parent); // has new pid, is ready but stopped child.backupBase = swaparea.allocate(current.backupLength); if(child.backupBase == 0) return –11; //EAGAIN // swap area overflow, child becomes garbage child.status.EAX = 0; // child gets result 0 child.swapout(); absent.add(child); return child.pid; // parent gets result pid } // via trap handler } // end of Swapper

32 5.3.3 Umlagerungsstrategien
verbergen sich in der Implementierung von SwapoutList present (eingelagerte Prozesse) SwapinList absent (ausgelagerte Prozesse) Ziel Effizienz/Ressourcennutzung: möglichst viele bereite Prozesse im Arbeitsspeicher !  kleine bereite Prozesse bevorzugen, hochpriorisierte Prozesse möglichst nicht auslagern Nicht vergessen Fairness:  bereite Prozesse rotierend umlagern bs-5

33 Zusätzliches Problem:  ein langzeitig blockierender Prozess
– z.B. beim Warten auf Eingabe von der Tastatur – sollte auch vor Ablauf seines Quantums ausgelagert werden, wenn es ausgelagerte, bereite Prozesse gibt.  ein kurzzeitig blockierender Prozess aber – z.B. beim Warten auf Leeren eines Ausgabepuffers – sollte nicht unbedingt ausgelagert werden,  Zwei Arten von Blockaden unterscheiden, Mechanismen entsprechend erweitern und mit der Strategie ausnutzen ! bs-5 - letzte Folie