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1 Tutorien zur Vorlesung Rechnerorganisation Tutorienwoche 10 am Christian A. Mandery: KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Grossforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Heute Virtuelle Speicherverwaltung Übungsaufgaben Organisatorisches 2 Christian A. Mandery:

3 Motivation Der physische Speicher ist begrenzt Unter Umständen wird mehr Speicher angefordert als physisch vorhanden ist Wie implementiert man einen effektiven Zugriffsschutz (für Multitasking)? 3 Christian A. Mandery:

4 Virtuelle Speicherverwaltung entkoppelt virtuelle Adressräume von physisch vorhandenem Speicher... übersetzt virtuelle Adressen beim Zugriff in physische Adressen (HW-Unterstützung!)... ist für die Anwendung transparent... erlaubt es, bei Knappheit des physischen Speichers, Seiten auszulagern (Swapping) 4 Christian A. Mandery:

5 Virtuelle Speicherverwaltung entkoppelt virtuelle Adressräume von physisch vorhandenem Speicher... übersetzt virtuelle Adressen beim Zugriff in physische Adressen (HW-Unterstützung!)... ist für die Anwendung transparent... erlaubt es, bei Knappheit des physischen Speichers, Seiten auszulagern (Swapping) 4 Christian A. Mandery:

6 Virtuelle Speicherverwaltung entkoppelt virtuelle Adressräume von physisch vorhandenem Speicher... übersetzt virtuelle Adressen beim Zugriff in physische Adressen (HW-Unterstützung!)... ist für die Anwendung transparent... erlaubt es, bei Knappheit des physischen Speichers, Seiten auszulagern (Swapping) 4 Christian A. Mandery:

7 Virtuelle Speicherverwaltung entkoppelt virtuelle Adressräume von physisch vorhandenem Speicher... übersetzt virtuelle Adressen beim Zugriff in physische Adressen (HW-Unterstützung!)... ist für die Anwendung transparent... erlaubt es, bei Knappheit des physischen Speichers, Seiten auszulagern (Swapping) 4 Christian A. Mandery:

8 Segmentierung vs. Paging Es werden zwei Verfahren unterschieden: Segmentierung Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in verschiedengroße Segmente Segmente enthalten logisch zusammengehörende Daten, z.b. Kernel-Code-Segment, Daten-Segment von Prozess A Paging (Seitenwechselverfahren) Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in Seiten fester Größe Seitengröße wird klein gewählt (z.b. 4kB), um Verschnitt zu verringern Die beiden Verfahren können in einer mehrstufigen Speicherverwaltung auch kombiniert werden (vgl. x86). 5 Christian A. Mandery:

9 Segmentierung vs. Paging Es werden zwei Verfahren unterschieden: Segmentierung Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in verschiedengroße Segmente Segmente enthalten logisch zusammengehörende Daten, z.b. Kernel-Code-Segment, Daten-Segment von Prozess A Paging (Seitenwechselverfahren) Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in Seiten fester Größe Seitengröße wird klein gewählt (z.b. 4kB), um Verschnitt zu verringern Die beiden Verfahren können in einer mehrstufigen Speicherverwaltung auch kombiniert werden (vgl. x86). 5 Christian A. Mandery:

10 Segmentierung vs. Paging Es werden zwei Verfahren unterschieden: Segmentierung Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in verschiedengroße Segmente Segmente enthalten logisch zusammengehörende Daten, z.b. Kernel-Code-Segment, Daten-Segment von Prozess A Paging (Seitenwechselverfahren) Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in Seiten fester Größe Seitengröße wird klein gewählt (z.b. 4kB), um Verschnitt zu verringern Die beiden Verfahren können in einer mehrstufigen Speicherverwaltung auch kombiniert werden (vgl. x86). 5 Christian A. Mandery:

11 Segmentierung vs. Paging Es werden zwei Verfahren unterschieden: Segmentierung Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in verschiedengroße Segmente Segmente enthalten logisch zusammengehörende Daten, z.b. Kernel-Code-Segment, Daten-Segment von Prozess A Paging (Seitenwechselverfahren) Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in Seiten fester Größe Seitengröße wird klein gewählt (z.b. 4kB), um Verschnitt zu verringern Die beiden Verfahren können in einer mehrstufigen Speicherverwaltung auch kombiniert werden (vgl. x86). 5 Christian A. Mandery:

12 Segmentierung vs. Paging Es werden zwei Verfahren unterschieden: Segmentierung Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in verschiedengroße Segmente Segmente enthalten logisch zusammengehörende Daten, z.b. Kernel-Code-Segment, Daten-Segment von Prozess A Paging (Seitenwechselverfahren) Zerlegung des virtuellen Speicherbereichs in Seiten fester Größe Seitengröße wird klein gewählt (z.b. 4kB), um Verschnitt zu verringern Die beiden Verfahren können in einer mehrstufigen Speicherverwaltung auch kombiniert werden (vgl. x86). 5 Christian A. Mandery:

13 Segmentierung Was sind Vor- und Nachteile bei Segmentierung? 6 Christian A. Mandery:

14 Segmentierung Was sind Vor- und Nachteile bei Segmentierung? Vorteile: Logische Struktur wird abgebildet (Codesegment, Datensegment,...) Keine interne Fragmentierung (Verschnitt), Segmente können mit der passenden Größe erzeugt werden Nachteile: Segmente können nur ganz oder gar nicht eingelagert sein Externe Fragmentierung möglich 6 Christian A. Mandery:

15 Paging Was sind Vor- und Nachteile bei Paging? 7 Christian A. Mandery:

16 Paging Was sind Vor- und Nachteile bei Paging? Vorteile: Keine externe Fragmentierung, da alle Seiten gleich groß sind Kleine Seiten lassen sich leicht ein- und auslagern Nachteile: Potentiell hohe Zahl von aufeinanderfolgenden Seitenfehlern Interne Fragmentierung (Verschnitt), da nur ein Vielfaches der Seitengröße allokiert werden kann 7 Christian A. Mandery:

17 Rolle der CPU Die Memory Management Unit (MMU) der CPU übernimmt die Übersetzung von virtuellen zu physischen Adressen Meist Beschleunigung der Adressübersetzung durch Translation Lookaside Buffer (TLB) Segment- bzw. Seitentabelle speichert die benötigte Zuordnung Tabellenzugriff entweder eigenständig durch Hardware (z.b. x86) oder mit Betriebssystem-Unterstützung bei einem TLB-Miss (z.b. MIPS) 8 Christian A. Mandery:

18 Rolle der CPU Die Memory Management Unit (MMU) der CPU übernimmt die Übersetzung von virtuellen zu physischen Adressen Meist Beschleunigung der Adressübersetzung durch Translation Lookaside Buffer (TLB) Segment- bzw. Seitentabelle speichert die benötigte Zuordnung Tabellenzugriff entweder eigenständig durch Hardware (z.b. x86) oder mit Betriebssystem-Unterstützung bei einem TLB-Miss (z.b. MIPS) 8 Christian A. Mandery:

19 Rolle der CPU Die Memory Management Unit (MMU) der CPU übernimmt die Übersetzung von virtuellen zu physischen Adressen Meist Beschleunigung der Adressübersetzung durch Translation Lookaside Buffer (TLB) Segment- bzw. Seitentabelle speichert die benötigte Zuordnung Tabellenzugriff entweder eigenständig durch Hardware (z.b. x86) oder mit Betriebssystem-Unterstützung bei einem TLB-Miss (z.b. MIPS) 8 Christian A. Mandery:

20 Rolle der CPU Die Memory Management Unit (MMU) der CPU übernimmt die Übersetzung von virtuellen zu physischen Adressen Meist Beschleunigung der Adressübersetzung durch Translation Lookaside Buffer (TLB) Segment- bzw. Seitentabelle speichert die benötigte Zuordnung Tabellenzugriff entweder eigenständig durch Hardware (z.b. x86) oder mit Betriebssystem-Unterstützung bei einem TLB-Miss (z.b. MIPS) 8 Christian A. Mandery:

21 Swapping Wird der freien physikalischen Speicher knapp, können Seiten auf einen Sekundärspeicher (z.b. Festplatte) ausgelagert werden Ausgelagerte Seiten werden als ausgelagert markiert (Wo?) Bei einem Seitenfehler wird eine Behandlungsroutine des Betriebssystems aufgerufen: Ist die betroffene Seite ausgelagert? (fahre fort) Oder Schutzverletzung/ungültige Seite? (dann Fehler) Falls keine Kachel frei: Eine Seite auslagern Ausgelagerte Seite zurück in den Speicher an eine freie Kachel laden Ausführung des fehlgeschlagenen Befehls wiederholen Mehr dazu: VL Betriebssysteme im Wintersemester 9 Christian A. Mandery:

22 Swapping Wird der freien physikalischen Speicher knapp, können Seiten auf einen Sekundärspeicher (z.b. Festplatte) ausgelagert werden Ausgelagerte Seiten werden als ausgelagert markiert (Wo?) Bei einem Seitenfehler wird eine Behandlungsroutine des Betriebssystems aufgerufen: Ist die betroffene Seite ausgelagert? (fahre fort) Oder Schutzverletzung/ungültige Seite? (dann Fehler) Falls keine Kachel frei: Eine Seite auslagern Ausgelagerte Seite zurück in den Speicher an eine freie Kachel laden Ausführung des fehlgeschlagenen Befehls wiederholen Mehr dazu: VL Betriebssysteme im Wintersemester 9 Christian A. Mandery:

23 Swapping Wird der freien physikalischen Speicher knapp, können Seiten auf einen Sekundärspeicher (z.b. Festplatte) ausgelagert werden Ausgelagerte Seiten werden als ausgelagert markiert (Wo?) Bei einem Seitenfehler wird eine Behandlungsroutine des Betriebssystems aufgerufen: Ist die betroffene Seite ausgelagert? (fahre fort) Oder Schutzverletzung/ungültige Seite? (dann Fehler) Falls keine Kachel frei: Eine Seite auslagern Ausgelagerte Seite zurück in den Speicher an eine freie Kachel laden Ausführung des fehlgeschlagenen Befehls wiederholen Mehr dazu: VL Betriebssysteme im Wintersemester 9 Christian A. Mandery:

24 Swapping Wird der freien physikalischen Speicher knapp, können Seiten auf einen Sekundärspeicher (z.b. Festplatte) ausgelagert werden Ausgelagerte Seiten werden als ausgelagert markiert (Wo?) Bei einem Seitenfehler wird eine Behandlungsroutine des Betriebssystems aufgerufen: Ist die betroffene Seite ausgelagert? (fahre fort) Oder Schutzverletzung/ungültige Seite? (dann Fehler) Falls keine Kachel frei: Eine Seite auslagern Ausgelagerte Seite zurück in den Speicher an eine freie Kachel laden Ausführung des fehlgeschlagenen Befehls wiederholen Mehr dazu: VL Betriebssysteme im Wintersemester 9 Christian A. Mandery:

25 Swapping Wird der freien physikalischen Speicher knapp, können Seiten auf einen Sekundärspeicher (z.b. Festplatte) ausgelagert werden Ausgelagerte Seiten werden als ausgelagert markiert (Wo?) Bei einem Seitenfehler wird eine Behandlungsroutine des Betriebssystems aufgerufen: Ist die betroffene Seite ausgelagert? (fahre fort) Oder Schutzverletzung/ungültige Seite? (dann Fehler) Falls keine Kachel frei: Eine Seite auslagern Ausgelagerte Seite zurück in den Speicher an eine freie Kachel laden Ausführung des fehlgeschlagenen Befehls wiederholen Mehr dazu: VL Betriebssysteme im Wintersemester 9 Christian A. Mandery:

26 Swapping Wird der freien physikalischen Speicher knapp, können Seiten auf einen Sekundärspeicher (z.b. Festplatte) ausgelagert werden Ausgelagerte Seiten werden als ausgelagert markiert (Wo?) Bei einem Seitenfehler wird eine Behandlungsroutine des Betriebssystems aufgerufen: Ist die betroffene Seite ausgelagert? (fahre fort) Oder Schutzverletzung/ungültige Seite? (dann Fehler) Falls keine Kachel frei: Eine Seite auslagern Ausgelagerte Seite zurück in den Speicher an eine freie Kachel laden Ausführung des fehlgeschlagenen Befehls wiederholen Mehr dazu: VL Betriebssysteme im Wintersemester 9 Christian A. Mandery:

27 Swapping Wird der freien physikalischen Speicher knapp, können Seiten auf einen Sekundärspeicher (z.b. Festplatte) ausgelagert werden Ausgelagerte Seiten werden als ausgelagert markiert (Wo?) Bei einem Seitenfehler wird eine Behandlungsroutine des Betriebssystems aufgerufen: Ist die betroffene Seite ausgelagert? (fahre fort) Oder Schutzverletzung/ungültige Seite? (dann Fehler) Falls keine Kachel frei: Eine Seite auslagern Ausgelagerte Seite zurück in den Speicher an eine freie Kachel laden Ausführung des fehlgeschlagenen Befehls wiederholen Mehr dazu: VL Betriebssysteme im Wintersemester 9 Christian A. Mandery:

28 Mehrstufige Seitentabellen Seitentabellen können selbst mehrstufig organisiert werden (viele kleine Tabellen statt einer großen) Nicht benötigte Seitentabellen können dann selbst ausgelagert werden 10 Christian A. Mandery:

29 Übungsaufgabe 1.1 Bei einem Cache-Speicher mit einer Speicherkapazität von 512 KByte ist die Hauptspeicheradresse in ein 16 Bit Tag-Feld, ein 10 Bit Index-Feld und einen 6 Bit Byte-Offset unterteilt. 1. Bestimmen Sie die Blockgröße in Bytes. 2. Wieviele Einträge besitzt der Cache-Speicher? 3. Wie ist der Cache-Speicher organisiert? 11 Christian A. Mandery:

30 Übungsaufgabe 1.1 Bei einem Cache-Speicher mit einer Speicherkapazität von 512 KByte ist die Hauptspeicheradresse in ein 16 Bit Tag-Feld, ein 10 Bit Index-Feld und einen 6 Bit Byte-Offset unterteilt. 1. Bestimmen Sie die Blockgröße in Bytes. 2. Wieviele Einträge besitzt der Cache-Speicher? 3. Wie ist der Cache-Speicher organisiert? 11 Christian A. Mandery:

31 Übungsaufgabe 1.1 Bei einem Cache-Speicher mit einer Speicherkapazität von 512 KByte ist die Hauptspeicheradresse in ein 16 Bit Tag-Feld, ein 10 Bit Index-Feld und einen 6 Bit Byte-Offset unterteilt. 1. Bestimmen Sie die Blockgröße in Bytes. 2. Wieviele Einträge besitzt der Cache-Speicher? 3. Wie ist der Cache-Speicher organisiert? 11 Christian A. Mandery:

32 Übungsaufgabe 1.2 Es soll ein 5-fach-assoziativer Cache-Speicher mit 128 Sätzen und einer Blockgröße von 8 Byte realisiert werden. Nehmen Sie an, dass die Hauptspeicheradresse 32 Bit breit ist. Zur Verwaltung eines Cacheblocks wird nur ein Statusbit (Valid-Bit: V) verwendet. 1. Welche Bits der 32-Bit-Adresse bilden Offset, Tag und Index? Skizzieren Sie hierzu die Unterteilung der Hauptspeicheradresse. 2. Bestimmen Sie den insgesamt erforderlichen Speicherbedarf zur Realisierung dieses Cache-Speichers. 12 Christian A. Mandery:

33 Übungsaufgabe 1.2 Es soll ein 5-fach-assoziativer Cache-Speicher mit 128 Sätzen und einer Blockgröße von 8 Byte realisiert werden. Nehmen Sie an, dass die Hauptspeicheradresse 32 Bit breit ist. Zur Verwaltung eines Cacheblocks wird nur ein Statusbit (Valid-Bit: V) verwendet. 1. Welche Bits der 32-Bit-Adresse bilden Offset, Tag und Index? Skizzieren Sie hierzu die Unterteilung der Hauptspeicheradresse. 2. Bestimmen Sie den insgesamt erforderlichen Speicherbedarf zur Realisierung dieses Cache-Speichers. 12 Christian A. Mandery:

34 Übungsaufgabe 1.3 Die Abbildung zeigt ein Mikrorechnersystem, das neben dem Prozessor mit Cache einen DMA-Controller ohne Cache als weiteren Master aufweist. Der DMA-Controller hat wie der Prozessor einen direkten Zugriff auf den Hauptspeicher, in dem sich beide Master einen Speicherbereich teilen. Welches Daten-Inkonsistenz-Problem tritt auf, wenn der Cache ein Durchschreib-Verfahren (write-through) verwendet? 13 Christian A. Mandery:

35 Übungsaufgabe 1.3 Die Abbildung zeigt ein Mikrorechnersystem, das neben dem Prozessor mit Cache einen DMA-Controller ohne Cache als weiteren Master aufweist. Der DMA-Controller hat wie der Prozessor einen direkten Zugriff auf den Hauptspeicher, in dem sich beide Master einen Speicherbereich teilen. Welches Daten-Inkonsistenz-Problem tritt auf, wenn der Cache ein Rückschreib-Verfahren (write-back) verwendet? 13 Christian A. Mandery:

36 Übungsaufgabe 1.3 Die Abbildung zeigt ein Mikrorechnersystem, das neben dem Prozessor mit Cache einen DMA-Controller ohne Cache als weiteren Master aufweist. Der DMA-Controller hat wie der Prozessor einen direkten Zugriff auf den Hauptspeicher, in dem sich beide Master einen Speicherbereich teilen. Geben Sie zwei Lösungsvorschläge zur Gewährleistung der Datenkonsistenz an. 13 Christian A. Mandery:

37 Übungsaufgabe 2 Die Speicherverwaltung in einem Rechnersystem geschieht zweistufig über eine Segmenttabelle und eine Seitentabelle. Geben Sie die Größe des maximal verfügbaren virtuellen Adressraums in Byte an. In wieviele Segmente wird der virtuelle Adressraum unterteilt? 14 Christian A. Mandery:

38 Übungsaufgabe 2 Die Speicherverwaltung in einem Rechnersystem geschieht zweistufig über eine Segmenttabelle und eine Seitentabelle. Wieviele Seiten können in einem Segment im virtuellen Adressraum gespeichert werden? Geben Sie die Größe einer Seite in Byte an. 14 Christian A. Mandery:

39 Übungsaufgabe 2 Die Speicherverwaltung in einem Rechnersystem geschieht zweistufig über eine Segmenttabelle und eine Seitentabelle. Was sind die Vorteile einer solchen zweistufigen Adressumsetzung gegenüber einer reinen Seitenverwaltung? 14 Christian A. Mandery:

40 Organisatorisches Es wird dieses Semester 11 Übungsblätter mit insgesamt 221 Punkten geben Für den Übungsschein notwendig: 8 abgegebene Übungsblätter und 110,5 Punkte Anmeldung zur freiwilligen Probeklausur am ab jetzt im Tutorium oder per möglich 15 Christian A. Mandery:

41 Organisatorisches Es wird dieses Semester 11 Übungsblätter mit insgesamt 221 Punkten geben Für den Übungsschein notwendig: 8 abgegebene Übungsblätter und 110,5 Punkte Anmeldung zur freiwilligen Probeklausur am ab jetzt im Tutorium oder per möglich 15 Christian A. Mandery:

42 Organisatorisches Es wird dieses Semester 11 Übungsblätter mit insgesamt 221 Punkten geben Für den Übungsschein notwendig: 8 abgegebene Übungsblätter und 110,5 Punkte Anmeldung zur freiwilligen Probeklausur am ab jetzt im Tutorium oder per möglich 15 Christian A. Mandery:

43 Fertig! Quelle: 16 Christian A. Mandery:

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