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1 Paging Einfaches Paging Paging mit virtuellem Speicher

2 Einfaches Paging Wie bisher (im Gegensatz zu virtuellem Speicherkonzept): Prozesse sind entweder ganz im Speicher oder komplett ausgelagert. Im Gegensatz zu Partitionierung werden Prozessen nicht notwendigerweise zusammenhängende Speicherbereiche zugeordnet. Hauptspeicher aufgeteilt in viele gleichgroße Seitenrahmen. Speicher eines Prozesses aufgeteilt in Seiten derselben Größe. Zuordnung von Seiten zu Seitenrahmen beim Laden von Prozessen Logische Adressen der Form Seitennummer, Offset Pro Prozess eine Seitentabelle Seitentabelle übersetzt Seitennummern in Nummern von Seitenrahmen im physikalischen Speicher Interne Fragmentierung nur bei letzter Seite eines Prozesses

3 Einfaches Paging: Beispiel Rahmennummer Hauptspeicher Hauptspeicher Hauptspeicher Hauptspeicher Prozess A geladen Prozess B geladen Prozess C geladen A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. B. B. B. B. B. B. C. C. C. C. Prozess D mit 6 Seiten soll jetzt geladen werden!

4 Einfaches Paging: Beispiel Datenstrukturen zum aktuellen Zeitpunkt: Rahmennummer Hauptspeicher A. A. A. A. C. C. C. C Hauptspeicher A. A. A. A. D. D. D. C. C. C. C. D. D.4 Seitentabelle Prozess A Seitentabelle Prozess C Seitentabelle Prozess B Seitentabelle Prozess D Prozess B ausgelagert Prozess D geladen 4 Liste der freien Rahmen

5 Einfaches Paging Berechnung von physikalischen Adressen aus logischen Adressen: Voraussetzung: Länge der Seiten ist eine Zweierpotenz Logische Adresse besteht aus Seitennummer und Offset. Absolute Adresse wird durch Hardware auf Grundlage der Seitentabelle des Prozesses berechnet.

6 Einfaches Paging Beispiel: logische Adresse der Länge 6 Bit 6-Bit-Seitennummer -Bit-Offset Der Prozess kann somit bis zu 6 verschiedene Seiten haben, die über die Seitentabelle des Prozesses auf Seitenrahmen im Hauptspeicher abgebildet werden. Jede Seite besteht aus = 4 Bytes. Berechnung der physikalischen Adresse:

7 Einfaches Paging 6-Bit-Seitennummer -Bit-Offset = =478 Seitentabelle des Prozesses Seitenrahmen Nr. 47 (=<>) Speicherzelle Nr. 478 (= <>) innerhalb des Seitenrahmens. => Reale Adresse:

8 Einfaches Paging Entfernen eines Prozesses aus dem Speicher: Lagere Prozess auf Hintergrundspeicher aus (z.b. Festplatte). Über Seitentabelle kann man feststellen, welche Seitenrahmen dem Prozess gehören. Füge diese Rahmen zur Liste der freien Rahmen hinzu. (Keine zusätzlichen Datenstrukturen des Betriebssystems benötigt.)

9 Paging mit virtuellem Speicher Grundidee: Wenn man im Zusammenhang mit Auslagern sowieso mit Hintergrundspeicher arbeitet, dann hat man auch die Möglichkeit, nur Teile der Daten von Prozessen ein- bzw. auszulagern. Das Programm kann momentan weiter ausgeführt werden, wenn die aktuell benötigten Informationen (Code und Daten) im Speicher sind. Wird auf Informationen zugegriffen, die ausgelagert (auf der Festplatte) sind, so müssen diese nachgeladen werden. Bezeichnungen: Hauptspeicher = realer Speicher Hauptspeicher + Hintergrundspeicher = virtueller Speicher

10 Paging mit virtuellem Speicher Vorteile: Mehr aktive Prozesse im Speicher (=> Pseudoparallelismus!) Tatsächlicher Speicherplatzbedarf eines Prozesses muss nicht von vornherein feststehen. Adressraum eines Prozesses kann jetzt größer sein als verfügbarer Hauptspeicher. Nachteil: Bei Zugriff auf Code/Daten, die nicht im Hauptspeicher vorhanden sind, muss das Betriebssystem die entsprechenden Seiten nachladen. Dabei müssen evtl. andere Seiten ausgelagert werden, um Platz zu schaffen.

11 Lokalität Kann das überhaupt effizient funktionieren? Antwort: meistens! Grund: Räumliche und zeitliche Lokalität von Programmen, d.h. Abarbeitung während kürzerer Zeit bewegt sich häufig in engen Adressbereichen. Abarbeitung von Schleifen In zeitlich engem Abstand Zugriff auf gleiche Daten Zugriffe auf benachbarte Daten => Aufgabe des Programmierers

12 Lokalität: Beispiel Matrix mit N x N Elementen. Arbeitsspeicher -dimensional, daher: Ordne jede Zeile nacheinander im Speicher an. Zugriff auf Element (i,j) (i-te Spalte in Zeile j): j * N + i

13 Lokalität: Beispiel Zugriffsmuster Beispiel : Initalisiere alle Elemente Variante // jede Zeile for(j = ; j < N; j++) { // jede Spalte for(i = ; i < N; i++) { pos = j * N + i; element[pos] = ; } } Für N = auf einer aktuellen Intel CPU (IA): ~.48 s

14 Lokalität: Beispiel Zugriffsmuster Beispiel : Initalisiere alle Elemente Variante : Vertausche Zeilenindex mit Spaltenindex // jede Spalte for(j = ; j < N; j++) { // jede Zeile for(i = ; i < N; i++) { pos = i * N + j; element[pos] = ; } } Für N = auf einer aktuellen Intel CPU (IA): ~.6 s

15 Lokalität: Beispiel Zugriffsmuster Beispiel : Matrixmultiplikation Variante : for (i = ; i < N; ++i) { for (j = ; j < N; ++j) { for (k = ; k < N; ++k) { res[i][j] += ma[i][k] * mb[k][j]; } } }

16 Lokalität: Beispiel Zugriffsmuster Beispiel : Matrixmultiplikation Variante : Transponiere Matrix // transponiere Matrix B in temporäre Matrix for (i = ; i < N; ++i) { for (j = ; j < N; ++j) { tmp[i][j] = mb[j][i]; } } for (i = ; i < N; ++i) { for (j = ; j < N; ++j) { for (k = ; k < N; ++k) { res[i][j] += ma[i][k] * tmp[j][k]; } } }

17 Lokalität: Beispiel Zugriffsmuster Beispiel : Matrixmultiplikation Test mit N = (Intel Core Duo 666 Mhz) Variante : CPU Zyklen Variante :.9.7. CPU Zyklen Relativer Gewinn: >7%!!! Analyse: Variante benötigt zusätzlichen Speicher für die transponierte Matrix. Zudem müssen N*N Elemente kopiert werden. Dennoch: Die nicht-sequentiellen Zugriffe (Matrix B) in Variante sind wesentlich teurer. In Variante kann über beide Matrizen sequentiell iteriert werden. Anmerkung: In diesem Beispiel wirken Cache-Effekte. Die Datenmenge zu klein, um in den Hintergrundspeicher ausgelagert zu werden. Dennoch ähnlicher Effekt, da Cache-Speicher um ein Vielfaches schneller als Hauptspeicher.

18 Lokalität Paging mit virtuellem Speicher ist nur dann effizient, wenn Lokalität gegeben. Falls nicht: Ständiges Aus- und Einlagern von Seiten zwischen Hauptspeicher und Festplatte Bezeichnung: Seitenflattern ( thrashing )

19 Technische Realisierung Technische Realisierung von Paging mit virtuellem Speicher: Die Daten des Prozesses befinden sich im Hintergrundspeicher (Festplatte), bei nicht komplett ausgelagerten Prozessen zusätzlich noch Teile im Speicher Wie bei einfachem Paging: Trennung der logischen Adressen in Seitennummer und Offset, z.b.: Im Gegensatz zu einfachem Paging: -Bit- Seitennummer -Bit-Offset Logische Adressen überdecken kompletten virtuellen Adressraum, z.b. -Bit- / 64-Bit-Adressen Pro Prozess eine Seitentabelle zur Übersetzung Seitennummer => Seitenrahmen

20 Technische Realisierung Logische Adresse: -Bit- Seitennummer Seitentabelleneintrag: P M Weitere Bits -Bit-Offset Seitenrahmennummer Present-Bit P: Seite ist im Hauptspeicher Modify-Bit M: Seite wurde verändert Weitere Bits für Schutzrechte und gemeinsame Nutzung Seitentabelle liegt im Hauptspeicher Umsetzung der virtuellen Adressen in reale Adressen mit Hardwareunterstützung (Memory Managment Unit (MMU) des Prozessors)

21 Adressumsetzung Virtuelle Adresse Reale Adresse Seitennr. Offset Register Seitentabellenzeiger + Seitennummer Rahmennr. Seitentabelle Rahmennr. Offset Offset Seitenrahmen Programm Paging-Verfahren Hauptspeicher

22 Seitentabelle Seitenrahmen Seitenrahmen Seite Seite Seite Seitenrahmen Seitenrahmen Hauptspeicher Seite Seite 4 Seite 5 Seite 6 Seite 7 virtueller Adressraum Seitennr. 4 5 P Rahmennr. 6 7 Seitentabelle des Prozesses im Hauptspeicher

23 Seitenfehler Was passiert beim Zugriff auf eine Seite, die sich nicht im Hauptspeicher befindet? Hardware (MMU) stellt anhand des present bits fest, dass angefragte Seite nicht im Hauptspeicher ist (=> Seitenfehler bzw. page fault ). Auslösen einer Unterbrechung ( Interrupt ) durch die Hardware Behandlung des Interrupts: Laufendes Programm wird unterbrochen, Sichern des aktuellen Programmzustandes durch Hardware (Stand des Programmzählers!) Routine zur Interruptbehandlung wird aufgerufen Feststellen des Grundes der Unterbrechung (hier: page fault) Behandlung abhängig vom Grund der Unterbrechung, hier: Betriebssystem lädt die entsprechende Seite von der Festplatte in einen freien Seitenrahmen Wenn kein Seitenrahmen frei: Vorheriges Verdrängen eines belegten Seitenrahmens Aktualisierung der Seitentabelle Danach: Laufendes Programm wird wieder fortgesetzt

24 Seitenfehler Welche Informationen benötigt das Betriebssystem zum Einlagern von Seiten (d.h. während der Behandlung einer Unterbrechung wegen eines page faults)? Abbildung Seitennummer --> Festplattenadresse, um die gesuchte Seite auf der Festplatte zu finden Liste freier Seitenrahmen

25 Seitenfehler Seitenrahmen Seitenrahmen Seite Seite Seite Seitenrahmen Seitenrahmen Hauptspeicher Seite Seite 4 Seite 5 Seite 6 Seite 7 virtueller Adressraum Seitennr. 4 5 P Rahmennr. Festplatten-Adresse A D B X Y C 6 E 7 F Seitentabelle des Prozesses im Hauptspeicher

26 Verdrängung Wenn kein freier Seitenrahmen vorhanden: Verdrängen von Seitenrahmen => Festplatte. Je nach Betriebssystem: Alle Seitenrahmen sind Kandidaten für Verdrängung oder Nur Seitenrahmen des eigenen Prozesses Entscheidung unter diesen Kandidaten gemäß Verdrängungsstrategie (Ziel: gute Ausnutzung von Lokalität). Ist das Modify-Bit M gesetzt, dann muss Seite im entsprechenden Rahmen auf Festplatte zurückgeschreiben werden. Nach Verdrängen eines Seitenrahmens muss die Seitentabelle des zugehörigen Prozesses aktualisiert werden. Da Seitentabellen meist nur dünn besetzt: Suchen des verdrängten Seitenrahmens in Seitentabelle des Prozesses ineffizient Abbildung Seitenrahmennummer --> (Prozessnummer, Seitennummer) hilfreich

27 Verdrängung Seitenrahmen soll freigeräumt werden. Seite Seite Seite Seite Seite 4 Seite 5 Seite 6 Seite 7 Seite P Seitenrahmen Seitenrahmen Seitenrahmen Seitenrahmen Rahme n Hauptspeicher Seite P Rahme n Seite Seite Seite Seite Seite 4 Seite 5 Seite 6 Seite 7 virtueller Adressraum Prozess Seite 6 von Prozess soll ausgelagert werten => P= 7 7 Seitentabelle von Prozess Seitentabelle von Prozess

28 Verdrängung Seite Seite Seite Seite Seite 4 Seite 5 Seite 6 Seite 7 Seitenrahmen Seitenrahmen Seitenrahmen Seitenrahmen Hauptspeicher Seite Seite Seite Seite Seite 4 Seite 5 Seite 6 Seite 7 Rahmen Prozess Seite 6 4 Abbildung Seitenrahmennummer -> (Prozessnummer, Seitennummer)

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