Virtueller Speicher. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 44

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1 Virtueller Speicher SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 44

2 Die Idee Virtuelle Adressen Prozess 1 Speicherblock 0 Speicherblock 1 Speicherblock 2 Speicherblock 3 Speicherblock 4 Speicherblock 5 Speicherblock 6 Speicherblock 7... Address Translation Speicherblock 0 Speicherblock 1 Speicherblock 2 Speicherblock 3 Speicherblock 4 Speicherblock 5... Speicherblock m Physikalischer Speicher Address Translation Prozess 2 Speicherblock 0 Speicherblock 1 Speicherblock 2 Speicherblock 3 Speicherblock 4 Speicherblock 5 Speicherblock 6 Speicherblock 7... Virtuelle Adressen Speicherblock n Virtueller Speicher Sekundärer Speicher (Festplatte oder SSD) Speicherblock n Virtueller Speicher SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 45

3 Abbilden von virtuellen auf physikalische Adressen Virtuelle Adresse Virtuelle Seitennummer Seiten Offset Translation Physikalische Adresse Physikalische Seitennummer Seiten Offset Quiz: Größe x des virtuellen Adressraumes, Größe y des physikalischen Adressraumes und Größe z der Speicherblöcke? SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 46

4 Address Translation im Detail Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 47

5 Page Faults Page Fault: die Page muss in eine freie Page im Speicher geladen werden. Was, wenn keine Page mehr frei ist? Andere Page im Speicher muss ausgelagert werden. Mögliche Ersetzungsstrategie: LRU (siehe voriges Thema Caching). Woher weis man eigentlich, welche Page schon lange nicht mehr adressiert wurde? Manche Prozessoren können die Page Table mit einem Reference/Use Bit taggen. Den Rest muss das Betriebssystem übernehmen (mehr dazu in der Vorlesung Betriebssysteme) SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 48

6 Wie groß ist die Page Table? Im vorigen (typischen) Beispiel verwenden wir 20 Bits zum indizieren der Page Table. Typischerweise spendiert man 32 Bits pro Tabellen Zeile (im Vorigen Beispiel brauchten wir mindestens 18 Bits). Damit benötigen wir insgesamt: Anzahl Page Table Einträge: Größe der Page Table: Wir benötigen so eine Page Table pro Prozess! Noch gravierender ist es natürlich für 64 Bit Adressen! Größe der Page Table: SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 49

7 Techniken zur Reduktion der Page Table Größe Page Table Größe ist limitiert durch ein spezielles Limit Register: Adressen erst mal nur bis maximal dem Inhalt des Limit Registers erlaubt. Limit Register wird nur bei Bedarf (also überschreiten) erhöht. Sinnvoll, wenn Speicher nur in eine Richtung wächst. Page Table ist in zwei Segmenten organisiert: Beide Segmente wachsen wie vorhin beschrieben mittels eines Limit Register nur bei Bedarf. Ein Segment wird für den Stack verwendet und wächst von oben nach unten. Das andere Segment wird für den Heap verwendet und wächst von unten nach oben. Höchstes Adress Bit bestimmt welches der beiden Segmente verwendet wird. (Also: Speicher in zwei gleich große Teile unterteilt) SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 50

8 Techniken zur Reduktion der Page Table Größe Invertierte Page Tables: Es wird eine Hash Funktion auf die virtuelle Adresse angewendet. Die Größe der Page Table entspricht der Anzahl Seiten im physikalischen Speicher. Jeder Eintrag speichert die aktuellen High Order Bits der Adressen zu den die aktuelle Page gehört. Mehrere Level von Page Tables: Oberster Level zeigt zunächst auf sehr große Blöcke (auch als Segmente bezeichnet). Innerhalb eines Segments wird wiederum mittels Page Table feiner (dann als Pages bezeichnet) unterteilt. Referenzieren einer Page: High Order Bits bestimmen das Segment (wenn vorhanden); die nächsten Bits dann die richtige Page in diesem Segment. Nachteil dieses Verfahrens: Adress Translation ist aufwendiger. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 51

9 Techniken zur Reduktion der Page Table Größe Gepagte Page Tables: Page Table befindet sich selber im virtuellen Speicher. Mögliche rekursive Page Faults müssen durch geeignete Betriebssystem Mechanismen verhindert werden. (Keine weiteren Details hier) SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 52

10 Schreiben von Pages Schreiben einer Page in den Swap Space ist sehr teuer (kostet millionen von CPU Zyklen). Write Through Strategie (siehe Abschnitt über Caching) ist hier somit nicht sinnvoll. Eine sinnvolle Strategie ist Write Back, d.h. nur, wenn die Seite von einer anderen in den Swap Space verdrängt wird, wird diese auch in den Swap Space geschrieben. Auf das ist immer noch gleich so teuer, kommt aber seltener vor. Muss man eine verdrängte Seite eigentlich immer zurückschreiben? Nur, wenn diese verändert wurde. CPU muss bei jedem schreibenden Zugriff auf eine Page in der Page Table ein Dirty Bit setzen. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 53

11 Beobachtung für jeden Speicherzugriff Virtueller Speicher ist aufwendiger als direkter physikalischer Zugriff Erst nachschlagen der Page im Speicher. Dann Zugriff auf den Speicher. Wie kann man das soweit wie möglich beschleunigen? Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 54

12 Der Translation Lookaside Buffer (TLB) Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 55

13 Protection mittels virtuellem Speicher Virtueller Speicher erlaubt, dass mehrere Prozesse auf denselben physikalischen Speicher zugreifen. Es ist unter umständen sinnvoll, den Speicherbereich vor Schreibzugriff zu schützen. TLB und Page Table speichern ein extra RW Bit. (1) Wer setzt dieses RW Bit? (2) Wie setzt man dieses Bit? Zu (1): Ein Betriebssystem Prozess. Zu (2): Einfache Maschineninstruktionen? Problem: Jeder kann dann das Bit setzen. Prozess 1 Page Prozess 2 SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 56

14 Betriebsmodi einer CPU Häufig zwei unterschiedliche Betriebsmodi: Normaler Betriebsmodus Kernel (oder auch Supervisor) Mode CPU erlaubt die Ausführung bestimmter Maschinen Instruktionen nur im Kernel Mode. Page Tables werden im physikalischen Speicher abgelegt, auf den kein anderer Virtueller Adressraum zeigt. Wie erreicht man den Kernel Mode? Es muss verhindert werden, dass jeder die CPU in diesen Modus versetzen kann. Üblicher Weg: System Call. Erinnerung: damit kann man eine Betriebssystemfunktion aufrufen. Mit System Call wird eine Exception ausgelöst und an eine Speicherstelle gesprungen, die nur in Kernel Mode zugreifbar ist. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 57

15 Was passiert bei einem Page Fault noch? Aktueller Prozess kann die Instruktion, die den Page Fault ausgelöst hat nicht weiter ausgeführt werden. Betriebssystem kann einem anderen Prozess die CPU zur Verfügung stellen. Sobald die Page geladen ist, kann dem ursprünglichen Prozess die CPU wieder zur Verfügung gestellt werden. Hierzu muss der ursprüngliche Prozesskontext wieder hergestellt werden; unter anderem natürlich der PC auf die Instruktion gesetzt werden, die den Page Fault verursacht hatte. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 58

16 Randbemerkung: Segmentierung Bisher haben wir feste Blockgrößen betrachtet. Es gibt auch ein Konzept mit variablen Blockgrößen: Segmentierung. Adresse besteht aus Segment Nummer und Segment Offset: Anfang kann auf einen beliebigen Startpunkt im Speicher zeigen. Die physikalische Adresse ergibt sich aus Anfang + Offset. Segmente können beliebig lang sein; benötigt auch Bounds Check. Bildquelle: SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 59

17 Parallelität und Caches SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 60

18 Cache Coherenz Problem CPU 1 (oder Core 1) CPU 2 (oder Core 2) Cache Cache Speicher Zeitschritt Event Cache Inhalt für CPU A Cache Inhalt für CPU B Speicherinhalt für Adresse X CPU 1 liest X CPU 2 liest x CPU 1 speichert 1 nach X SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 61

19 Wann gilt ein Cache als kohärent? 1. Lesen von Speicherstelle X nach schreiben in Speicherstelle X sollte den geschriebenen Wert zurück geben, wenn kein weiterer Prozess auf die Stelle X geschrieben hat. 2. Nachdem ein Prozess in speicherstelle X geschrieben hat, sollte nach einer gewissen Zeit jeder Prozess den geschriebenen Wert in X vorfinden. 3. Zwei Schreiboperationen von zwei Prozessen in die Speicherstelle X sollte von jedem Prozess in der gleichen Reihenfolge gesehen werden. (Schreiben ist serialisiert) SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 62

20 Wie erreicht man Kohärenz? Write Invalidate Protokoll: Wenn ein Prozess in einen Speicherstelle schreibt wird die Speicherstelle in den Caches aller anderen Prozesse invalidiert. Dieses Protokoll stellt Serialisierung sicher. Busaktivität Inhalt des Caches von CPU A Inhalt des Caches von CPU B CPU A liest X Cache Miss für X 0 0 CPU B liest X Cache Miss für X CPU A schreibt 1 nach X Prozessoraktivitäts Cache Invalidierung für X 1 0 CPU B liest X Cache Miss für X Inhalt des Caches von CPU C 0 Wie wird das Invalidieren technisch erreicht? Snooping: Jeder Cache Controller überwacht den gemeinsamen Bus, ob auf einen eigenen gecachten Inhalt geschrieben wird. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 63

21 Zusammenfassung und Literatur SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 64

22 Zusammenfassung Cache Ziel: Speicher so groß wie auf unterstem Level aber annähernd so schnell wie auf höchstem Level. Warum funktionieren Caches überhaupt so gut? Lokalitätsprinzip. Virtueller Speicher ist prinzipiell das selbe wie ein Cache. Auch hier gelten dieselben Cache Prinzipien (z.b. Lokalität) Insgesamt ergibt sich eine Hierarchie von Caches. Caches sind prinzipiell vor der Software unsichtbar. Dennoch ist es sinnvoll diese in der Software zu beachten (z.b. Speicherblöcke in Schleifen Cachegünstig durchlaufen, Prefetching) SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 65

23 Literatur [PattersonHennessy2012] David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, Introduction 5.2 The Basics of Caches 5.3 Measuring and Improving Cache Performance 5.4 Virtual Memory 5.8 Parallelism and Memory Hierarchies: Cache Coherence SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 66

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