Aufgabe 4 : Virtueller Speicher

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1 Sommer 216 Technische Informatik I Lösungsvorschlag Seite 16 Aufgabe 4 : Virtueller Speicher (maximal 27 Punkte) 4.1: Generelle Funktionsweise (maximal 5 Punkte) (a) (1 Punkt) Nennen Sie zwei Gründe, weshalb virtueller Speicher verwendet wird. Lösungsvorschlag: 1. Bengrenzter Speicherplatz, Virtueller Speicher kann mehr Speicher zur verfügung stellen als physikalisch vorhanden ist, zb. wenn mehrere Prozesse parallel laufen, 2. Isolation von Speicher (b) (2 Punkte) Erläutern sie, was ein Translation Lookaside Buffer (TLB) ist und weshalb ein solcher verwendet wird (2-3 Sätze). Lösungsvorschlag: Der TLB ist ein schneller lookup Puffer nahe am Prozessor um virtuelle Adressen in physikalische Adressen umzuwandeln. Dieser Puffer vermeidet den Umweg über die Seitentabelle im Hauptspeicher und beschleunigt deshalb die Umwandlung falls die gesuchte Seitennummer bereits im TLB ist. (c) (2 Punkte) Wir betrachten ein System mit einer gegebenen physikalischen Speichergrösse. Die Seitengrösse ist konfigurierbar und ist entweder 4 kb oder 1 MB. Finden Sie je ein Argument, das für die eine oder die andere Konfiguration spricht. Lösungsvorschlag: 4 kb: Speicher kann feingranularer verteilt werden, was zu besserer Speicherausnützung führt. / Beim Ersetzen einer Seite müssen weniger Daten kopiert werden. 1 MB: Kleinere Seitentabelle / Weniger Page/TLB misses da mit weniger Einträgen mehr Speicher verwaltet werden kann.

2 Sommer 216 Technische Informatik I Lösungsvorschlag Seite : Adressaufteilung (maximal 6 Punkte) Gegeben ist ein System mit einem virtuellen Adressraum von 16Bit (Bits bis 15), wobei der physikalische Speicher nur 2 14 Byte speichern kann. Die Adressierung im virtuellen und im physikalischen Speicher erfolgt byteweise. Das System besitzt einen direkt abgebildeten TLB mit 8Zeilen und die Seitengrösse beträgt 2 6 Byte. Auch besitzt das System einen 2-fachassoziativ ausgeführten Cache mit 2 7 Zeilen und einer Daten-Blockgrösse von 16Byte. (a) (4 Punkte) Vervollständigen Sie die untenstehende Tabelle. Geben Sie an, welche Bits für eine Kennzahl verwendet werden (Spalte 2) und ob diese sich auf die virtuellen Adresse (V) oder die physikalischen Adresse (P) beziehen (Spalte 3). Lösungsvorschlag: virtuelle Adresse 15 virtuelle Seitennummer 6 5 TLB Adresse TLB Tag TIDX 15 Seitentabelle 6 6 physikalische Adresse 13 8 phys. Seitennummer Cache Adresse Cachetag Cacheindex BO Kennzahl Bits bezogen auf bis 5 V, P virtuelle Seitennummer 6 bis 15 V TLB-Tag 9 bis 15 V TLB-Index 6 bis 8 V physikalische Seitennummer 6 bis 13 P Cache-Byte-Offset bis 3 P Cache-Index 4 bis 1 P Cache-Tag 11 bis 13 P

3 Sommer 216 Technische Informatik I Lösungsvorschlag Seite 18 (b) (2 Punkte) An wievielen Orten im Cache kann ein Datum, das durch eine virtuelle Adresse angegeben ist, stehen? Lösungsvorschlag: An verschiedenen Stellen, da 5Bits des Cache Index von der physikalischen Seitennummer abhängen und sich nicht direkt aus der virtuellen Adresse ergeben. Zudem wird jede Cachezeile doppelt geführt.

4 Sommer 216 Technische Informatik I Lösungsvorschlag Seite : Hit- und Missraten (maximal 6 Punkte) (a) (6 Punkte) Gegeben ist ein System mit einem virtuellen Speicher der Grösse V = 2 32 Byte und einer Seitengrösse S = 2 1 Byte. Bei Zugriffen auf zufällige Adressen, welche gleichverteilt sind, weist das System nach langer Zeit eine durchschnittliche TLB Missrate m = 63 und eine durchschnittliche Seitenfehlerrate p =.75 auf. Berechnen Sie E, die 64 Anzahl der Seiteneinträge der TLB, und G, die Grösse des physikalischen Speichers in Byte. Geben Sie eine vollständige Berechnung an, verwenden Sie dazu wenn nötig folgende zusätzliche Symbole: Anzahl der virtuellen Seiten E V TLB-Hitrate h Anzahl der physikalischen Seiten E P Seitenhitrate b Lösungsvorschlag: E V = V S = = 222 h = E E V m = 1 h m = 1 E E V E = (1 m) E V = ( 1 63 ) 2 22 = E P = G b = E P p = 1 b = 1 E P S E V E V G = S E V (1 p ) = (1.75) = 2 3

5 Sommer 216 Technische Informatik I Lösungsvorschlag Seite 2 4.4: Virtuelle Adressierung, TLB und Cache (maximal 1 Punkte) Gegeben ist ein System mit folgender Adressaufteilung: virtuelle Adresse 11 virtuelle Seitennummer TLB Adresse TLB Tag TIDX 2 1 Seitentabelle 4 physikalische Adresse phys. Seitennummer Cache Adresse Cachetag Cacheindex BO Im initialen Zustand ist der Inhalt des TLB, ein Ausschnitt der Seitentabelle und der Cache wie folgt gegeben (alle Angaben sind im Hexadezimal Format): TLB: Index Tag PPN Valid Tag PPN Valid x x1f x4 x1 x13 xa x x1 x2 xf x1 xc xa x1 x2 x1 x1 x x x5 x1 x3 xa xf x1 xe x x1 Ausschnitt der Seitentabelle: VPN PPN Valid x4 xc x x41 x1 x1 x42 x x1 x43 x4 x x44 x5 x1 x45 xf x x46 xc x x47 x x VPN PPN Valid x48 xa x x49 xe x x4a xf x1 x4b x6 x1 x4c x7 x1 x4d xd x x4e x8 x1 x4f x9 x

6 Sommer 216 Technische Informatik I Lösungsvorschlag Seite 21 Cache: Index Tag Valid Byte[x] Byte[x1] Tag Valid Byte[x] Byte[x1] x x x1 x96 x35 x1 x1 x4d x79 x1 x7 x1 x3b xd8 xf x1 x32 x3a x2 xa x x2c x7 x2 x x5 xec x3 x2 x1 x6e x3 x1 x1 xe7 xfa x4 x3 x x1d x42 x5 x x69 x98 x x9 x1 x43 x9a x6 xa x1 x1e x4c x7 x3 x1 x82 x16 x1 x1 xcd x8 HINWEIS: Die folgenden Aufgabenstellungen lassen sich unabhängig voneinander lösen. (a) (5 Punkte) Das System befindet sich im initialen Zustand. Es wird nun die Adresse x46f gelesen. Füllen Sie die folgenden Tabellen vollständig mit Hexadezimalzahlen aus. Wenn ein nicht ermittelbar ist, markieren Sie die entsprechende Zelle mit einem -. Lösungsvorschlag: x46f = b VPN TLB-Index TLB-Tag TLB-Miss (j/n) Seitenfehler (j/n) x46 xf x2 x11 j j physikalische Adresse - PPN - Byteoffset x1 or - Cacheindex x7 or - Cachetag - Cache-Miss (j/n) - resultierendes Datenbyte - (b) (5 Punkte) Das System befindet sich im initialen Zustand. Es wird nun an die Adresse x4c2 geschrieben. Füllen Sie die folgenden Tabellen vollständig mit Hexadezimalzahlen aus. Wenn ein nicht ermittelbar ist, markieren Sie die entsprechende Zelle mit einem -. Lösungsvorschlag: x4c2 = b physikalische Adresse VPN x4c PPN x2 Byteoffset TLB-Index x Cacheindex TLB-Tag x13 Cachetag TLB-Miss (j/n) j Cache-Miss (j/n) Seitenfehler (j/n) n resultierendes Datenbyte x72 x7 x x1 x7 n x3b