Betriebssysteme. Dipl.-Ing.(FH) Volker Schepper

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2 Speicherverwaltung Real Mode Nach jedem starten eines PC befindet sich jeder x86 (8086, 80386, Pentium, AMD) CPU im sogenannten Real Mode. Datenregister (16Bit) Adressregister (20Bit) Dadurch lassen sich 1MByte (2^20 Datenworte) Arbeitsspeicher adressieren. Zur Adressgenerierung wird ein Segmentregister mit 16 multipliziert. Anschließend wir ein Offsetregister dazu addiert.

3 Speicherverwaltung Real Mode Das BIOS und MS-DOS (< Version 3.0) Systeme arbeiten ausschließlich im Real Mode. Ab einem CPU und MS- DOS (>= Version 3.0) kann der V86 Mode im Protected Mode benutz werden. Dadurch kann die CPU mehr als 1MByte adressieren. Nur ein Programm kann zur gleichen Zeit ausgeführt werden. ( Kein Mehrprogrammbetrieb möglich) Voller Zugriff auf alle Speicheradressen. Bei Programmabsturz kann System beschädigt werden. Speicheraufteilung vom System ist gegeben.

4 Speicherverwaltung Die Speicherverwaltung muss bei einem Mehrprogrammbetrieb bestimmte Anforderungen erfüllen:

5 Speicherverwaltung 1. Wiederauffinden (Relocation) a) Multiprogrammingsystems benötigen eine Verwaltungsstruktur um eine Vielzahl an Prozessen zu verwalten. b) Hardware und Betriebssystem muss in der Lage sein, Referenzen in physische Adressen umzuwandeln.

6 Speicherverwaltung 2. Schutz (Protection) a) Ein Prozess darf nur in Speicherbereich zugreifen, der für Ihn vom Betriebssystem zugeteilt wurde. Dadurch kann ein fremder Prozess nicht die Daten des anderen Prozesses manipulieren. Stürzt ein Prozess ab, so kann dieses Prozess kein weiteren Prozess in Mitleidenschaft gezogen werden.

7 Speicherverwaltung 3. Teilen bzw. Aufteilen(Sharing) a) Die Speicherverwaltung muss verschiedenen Prozessen den Zugriff auf einem gemeinsamen Speicherbereich ermöglichen.

8 Speicherverwaltung 4. Physikalische Organisation (Physical Organiziation) a) Um eine optimale Ausnutzung des vorhanden Arbeitsspeicher sicher zu stellen. b) Zwischen Arbeitsspeicher und Hintergrundspeicher zu transportieren.

9 Swapping Sehr häufig wird mehr Arbeitsspeicher benötig als real vorhanden ist. Gerade nicht benötigte Daten können vom Arbeitsspeicher ausgelagert werden. Innerhalb halb der Speicherpyramide werden die Daten eine Ebene tiefer ausgelagert. Dafür wird in der Regel die Festplatte verwendet. Die Festplatte stellt dafür ein Kompromiss zwischen kostengünstiger Speicher und der Geschwindigkeit (Übertragungsrate und Zugriffszeit) dar.

10 Swapping Die im Hintergrundarbeitende Softwareroutine wird als Swapper bezeichnet. Nur wenn der Prozess zurzeit nicht aktiv, kann ein Swapping stattfinden. Dazu wird das vollständige Datensegment vom Arbeitsspeicher auf die Festplatte kopiert. Wird der Prozess wieder aktiviert, muss erneut das Swapping aktiv werde. Das Datensegment wird zurück von der Festplatte in den Arbeitsspeicher kopiert.

11 Swapping Die Ladestrategie ermittelt erneut den Adressbereich des Arbeitsspeicher, dadurch wird das Datensegment in der Regel an eine andere Position kopiert, wo es vor dem auslagern war. Ein Prozess kann nur dann wieder aktiv werden, wenn seine Daten wieder vollständig von der Festplatte im Arbeitsspeicher eingelagert worden sind.

12 Hauptspeicher Hauptspeicher Aus- bzw. Einlagern Auslagern Festplatte Einlagern Festplatte

13 Speicherverwaltung Damit das Betriebssystem die Verwaltung des Arbeitsspeicher effektiv übernehmen kann. Muss die Belegung des Arbeitsspeichers bekannt sein. Speicherverwaltung mit Bitmaps Speicherverwaltung mit verketten Listen

14 Bitmaps Der Arbeitsspeicher wird linear mit einem festen Teiler dividiert. Jede Belegungseinheit repräsentiert einen kleinen Bereich des Arbeitsspeichers. Es muss ein Kompromiss zwischen Anzahl der Belegungseinheiten und der zu repräsentierenden Größe des Arbeitsspeichers gefunden werden

15 Bitmaps Wird der Arbeitsspeicher zu klein geteilt, wird auch die Belegungseinheit größer. Dadurch ist mehr Rechenzeit bei der Suche nach einem freien Segment erforderlich. Wird der Arbeitsspeicher zu groß geteilt, werden die Segmente nicht vollständig benutzt.

16 Verketten Listen Ein Element von der verketten Liste, repräsentiert ein Datensegment oder einen freien Bereich im Arbeitsspeicher. Ein Element besetzt vier Felder: Kennung zwischen Prozess und Lücke Startadresse Größe des Datensegmentes Zeiger auf das nächste Element

17 Verketten Listen Die Liste kann leicht angepasst werden, wenn z.b. Lücken verschmolzen werden. Darüber hinaus wird weniger Rechenzeit bei der Suche nach einer Lück benötigt.

18 Ladestrategien für Swapping Sollen Datensegmente in den Arbeitsspeicher geladen werden, soll muss nach einem genügend großen freien Bereich im Arbeitsspeicher gesucht werden. Suchalgorithmen : First Fit Next Fit Best Fit Worst Fit

19 First Fit Der Speicher wird von der ersten Speicheradresse an durchsucht. Wir ein freies Segment gefunden, dass genügend groß ist, werden dort die Daten abgelegt.

20 Next Fit (1) Die Positionierungsstrategie Next Fit baut auf den First Fit Algorithmus auf. Der Speicher wird solange durchsucht, bis ein freies Segment, welches gleich oder größer der benötigten Daten gefunden wurde. Die Suche wird am vorigem gefundenem Segment fortgeführt.

21 Next Fit (2) Der Vorteil bei der Next Fit Positionierungsstrategie gegenüber der First Fit ist, dass die Fragmentierung über den gesamten Arbeitsspeicher gleichverteilt erfolgt.

22 Best Fit Mit der Best Fit Positionierungsstrategie wird der Speicherbereich durchsucht, damit die kleineste ungenützte Lücke entsteht.

23 Worst Fit An dem größten freien Segmenten werden Daten abgespeichert.

24 Fragmentierung Werden Datensegmente mit dynamischer Größe verwendet, kann der Arbeitsspeicher nach gewisser Zeit fragmentiert sein. Dieser Effekt ist nicht wünschenswert, da Speicherplatz ungenutzt bleibt. So wird nicht die vollständige Größe des Arbeitsspeichers ausgenützt.

25 Fragmentierung Beispiel (1) Prozess C Prozess C Prozess C Prozess B Prozess B Prozess B Prozess A Prozess A Prozess D Prozess A Prozess D Prozess C Prozess A

26 Fragmentierung Beispiel (2) Prozess C Prozess C Prozess A Prozess A Prozess B Prozess B Prozess B Prozess A Prozess D Prozess D Prozess C

27 Ersetzungsstrategie Um Arbeitsspeicher wieder freizugeben, müssen Segmente in den Hintergrundspeicher eingelagert werden. FIFO First In First Out LFU Least Frequently Used LRU Least Recently Used Clock (Secound Chance)

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