Betriebssysteme Teil 10: Virtueller Speicher

Transkript

1 Betriebssysteme Teil 10: Virtueller Speicher

2 Übersicht Segmente Systemaufrufe Swapping Paging 2

3 Physikalischer Adressraum I - Wiederholung 3

4 Physikalischer Adressraum II - Wiederholung Es wird Memory-Mapped-I/O zugrunde gelegt: Alle Geräteregister besitzen eine Bus-Adresse und sind daher mit normalen Instruktionen erreichbar. Physikalischer Adressraum = Bereich der Adressen, der über den Adressbus ansprechbar ist In der Regel ist dieser Adressraum in folgende Bereiche von den niedrigen zu den hohen Adressen aufgeteilt: Kernel des Betriebssystems Bereich für Prozesse bzw. Programme Lücke, da der gesamte mögliche Adressraum in der Regel größer als die reale Größe des Arbeitsspeichers ist Bereich der Geräteregister Weiterhin gibt es noch den Bereich für den (E)EPROM/Booter. 4

5 Ziele des virtuellen Speichers Virtueller Speicher = Virtual Memory = Arbeitsspeicher mit simuliertem Eigenschaften: Zugriffsschutz/Separation der Programme untereinander zur Erhöhung der Sicherheit Unabhängigkeit vom Ort im RAM, an dem die Programme und ihre Daten liegen, zur Erhöhung der Flexibilität Der virtuelle Speicher wird mit Hilfe einer Memory Management Unit (MMU) realisiert. 5

6 Memory Management Unit (MMU) I 6

7 Memory Management Unit (MMU) II Die MMU ist ein Filter zwischen CPU und Bus, der folgende Aufgaben hat: Prüfung, ob eine Adresse in dem zulässigen Bereich zwischen 0 und dem definierten Maximum liegt Verschiebung der von der CPU generierten Adresse auf die richtige Stelle im Adressraum des Busses durch Addition einer Basisadresse Der Adressraum aller Programme beginnt daher mit der virtuellen Adresse 0 und endet mit der höchsten Adresse. Adressen dazwischen sind gültig, alle anderen ungültig. Solch ein Bereich von Adressen wird Segment genannt. Adressen der CPU, die von der MMU verarbeitet werden, werden virtuelle Adressen genannt. Die Adressen als Resultat der MMU-Verarbeitung werden physikalische oder reale Adressen genannt. Dies sind die Adressen des Busses. 7

8 Aufgaben der MMU Die wesentliche Aufgabe der MMU besteht darin, die einzelnen Programme gegenüber einem gegenseitigen Überschreiben zu schützen. Jedes Segment ist dadurch wie ein Gehege, aus dem das Programm nicht ausbrechen kann. Eine andere Aufgabe besteht in der Herstellung der Ortsunabhängigkeit der Segmente, daher können die Segmente an verschiedenen Stellen im physikalischen RAM kopiert bzw. bewegt werden ohne dass dies die CPU berücksichtigen muss. Die Realisierung von virtuellen Adressen mit einem unüberwindbaren Schutzmechanismus wie eine MMU ist eines der wichtigsten Schutzkonzepte in Computern. 8

9 MMU - Genauer I Die MMU baut für die CPU einen "Käfig", der jeden Zugriff nach außen unterbindet. Versucht ein Prozess nach außen zuzugreifen, wird die Instruktion aufgrund eines Signals von der MMU zur CPU abgebrochen. 9

10 MMU - Genauer II Die Virtualisierung gilt für jedes Programm einschließlich des Betriebssystems selbst. Daher können unabhängig voneinander mehrere jeweils mit der Adresse 0 beginnende und verschieden lange Prozesse gleichzeitig im Arbeitsspeicher liegen. Der Kernel wird von der MMU wie ein Prozess mit einem virtuellen Adressraum behandelt. Damit der Kernel auf alle Geräte und Prozesse zugreifen kann, hat sein Bereich die Basisadresse 0 und die maximal mögliche Länge, d.h. sein virtueller Adressraum überdeckt alles. 10

11 Erläuterungen I Segment = Bereich eines Arbeitsspeichers, der virtuell bei Adresse 0 beginnt und eine bestimmte Länge hat. Jedem Segment wird ein Deskriptor zugeordnet, der folgendes enthält: Physikalische Basisadresse Länge des Segments Zugriffsrechte (Lesen/Schreiben/Ausführen) Der Deskriptor wird in einem Registersatz in der MMU gehalten. Die MMU besitzt zwei Registersätze: Einen für den User-Mode Einen für den Kernel-Mode Um viele Segmente gleichzeitig verwalten zu können, werden alle Deskriptoren in einer Tabelle im RAM gehalten. 11

12 Erläuterungen II Aufgrund der Ortsunabhängigkeit können Segmente während einer Programmunterbrechung verschoben werden. Dies ist zur Beseitigung von Lücken zwischen den Segmenten erforderlich; die Segmente werden dann zusammen geschoben. Alle Segmente müssen zusammen gleichzeitig in den RAM passen. Segmente können sich im physikalischen Bereich auch partiell überdecken. Dies dient der Realisierung von gemeinsam benutzten RAM- Bereichen zwischen Prozessen (shared memory). Das Segment des Kernels überdeckt alles. 12

13 Feinere Aufteilung in Segmente I Es ist möglich, dass ein Prozess weiter auf mehrere (Teil-)Segmente aufgeteilt wird: Segment für Code Segment für Globale Daten Segment für Stack Damit kann ein Schreibschutz des Codes realisiert werden. Wenn das Code-Segment schreibgeschützt ist, kann es von mehreren Prozessen gemeinsam benutzt werden Die Code-Segmente mehrerer Prozesse werden dann auf denselben physikalischen Adressbereich abgebildet und haben damit dieselbe Basisadresse. Es können aber auch Datenbereiche gemeinsam benutzt werden. 13

14 Feinere Aufteilung in Segmente II Virtuelle Adresse 16 bit 16 bit Segment-ID Adresse innerhalb des Segments Beispiel für 32 bit-addressraum Indizierung 0 Auswahl des Deskriptors Länge Erlaubnis Basis-Adresse Adressumsetzer Bei diesem Beispiel werden die Segmente in Scheiben von 64 KB aufgeteilt, wobei die Scheiben virtuell nicht immer bei Adresse 0 liegen. Länge Erlaubnis Basis-Adresse Reale Adresse 0 Max Code Heap Stack Betriebssystem Code (P1) Heap Stack I/O 14

15 Feinere Aufteilung in Segmente III - Alternative 15

16 Shared Code Prozess P1 Länge Erlaubnis Länge Erlaubnis Prozess P2 Länge Erlaubnis Länge Erlaubnis Basis-Adresse Basis-Adresse Basis-Adresse Basis-Adresse 0 Max Code 0 Max Daten (P1) 0 Max Daten (P2) Virtuelle Addressräume zweier Prozesse Betriebssystem Code Daten (P1) Daten (P2) I/O Realer Adressraum Gemeinsame Benutzung durch P1 und P2 Read/Write Read/Write 16

17 Wenn ein Programm läuft... ist immer der korrespondierende Deskriptor in die MMU geladen und aktiv. Wenn nun die CPU einem anderen Prozess, d.h. einem anderen Segment gegeben werden soll, muss der Deskriptor für das neue Segment über die Geräteregister in die MMU geladen werden. Daher existiert im Kernel eine Tabelle mit allen Deskriptoren aller Segmente im RAM. Diese Tabelle liegt außerhalb des Zugriffs aller Programme, so dass nur der Kernel auf die Deskriptoren zugreifen und in die MMU laden kann. 17

18 Zugriff auf die MMU-Register Tabelle mit MMU- Deskriptoren Länge Erlaubnis Basis-Adresse Länge Erlaubnis Basis-Adresse... Länge Erlaubnis Basis-Adresse Deskriptoren werden über besondere Adressbereiche in die MMU geschrieben Tabelle Prozess 1 Prozess 2 Prozess 3 MMU I/O Betriebssystem Die Register der MMU werden wie I/O-Geräteregister behandelt. 18

19 CPU-Arbeitsmodi I - Wiederholung Im Status-Register der CPU befindet sich ein Bit zum Vermerken des globalen Arbeitsmodus der CPU: User-Mode: Normaler, eingeschränkter Modus Kernel-Mode: nur vom Betriebssystem benutzter Modus ohne jede Einschränkung Die Einschränkung im User-Mode betrifft die Ausführung folgender Instruktionsgruppen: I/O-Instruktionen (falls vorhanden) Administrationsinstruktionen (Reset, Stop etc.) Setzen des Status-Registers Nun gibt es für jeden Modus einen eigenen MMU-Registersatz, der automatisch mit Wechsel des CPU-Modus auch gewechselt wird. 19

20 CPU-Arbeitsmodi II User-Mode Kernel-Mode 20

21 Was passiert bei der Trap-Instruktion? 1. CPU-Modus wechselt in den Kernel-Mode: es wird ein anderer MMU-Deskriptor benutzt 2. CPU rettet den aktuellen SP und lädt den alten Kernel-SP 3. Status-Register wird auf den Kernel-Stack gebracht 4. PC wird (wie beim jsr) auf den Kernel-Stack gebracht 5. Sprung an eine vorher festgelegte Adresse im Kernel Da der Kernel selbst ein Programm mit sich gegenseitig aufrufenden Routinen ist, benutzt er einen eigenen Stack, d.h. mit Segmentwechsel findet noch ein Stackwechsel statt. Der Wechsel vom User-Stack zum Kernel-Stack wird durch Austausch/Änderung des Stack-Registers realisiert (Schritt 2), manchmal erfolgt dies durch Hardware. Nach der Trap-Instruktion werden dann noch die restlichen Register auf den Kernel-Stack gerettet. 21

22 Was passiert beim Return-from-Trap? 1. Wiederherstellen des alten PC-Wertes 2. Wiederherstellen des alten SR-Wertes und damit Wechsel in den User-Mode mit anderem MMU-Deskriptor 3. CPU rettet den aktuellen Kernel-SP und lädt den alten User-SP 4. Benutzen des MMU-Deskriptors für User-Modus Analog zum Trap muss auch hier der Stack wieder zurück getauscht werden. Bei vielen Maschinen wird der Stackwechsel so realisiert, dass es zwei Stackpointer gibt so wie es bei der MMU für jeden Modus je einen Deskriptor gibt, gibt es hier auch zwei SP, z.b. MC Es gibt auch Maschinen mit speziellen Registersätzen für jeden Modus bzw. als Reaktion auf Interrupts. Weiterhin werden vor dem Stackwechsel, d.h. vor der RTT-Instruktion die geretteten allgemeinen Register wiederhergestellt. 22

23 TRAP und RTT TRAP-Instruktion RTT-Instruktion CPU-Mode:= Kernel Wechsel des MMU-Deskriptors Retten des User-SP Wiederherstellen des Kernel-SP Push Status-Register Push Programm Counter PC:= Spezielle Adresse Setzen des Kernel-Mode im SR Pop Programm Counter Pop Status-Register CPU-Mode:= SR-Wert Wechsel des MMU-Deskriptors Retten des Kernel-SP Wiederherstellen des User-SP Trap-Handler = Routine im Kernel, die aufgrund eines Traps an einer "speziellen Adresse" angesprungen wird 23

24 Mechanismus der Trap-Instruktion I - Wiederholung 24

25 Mechanismus der Trap-Instruktion II - Wiederholung Diese Tabellen sowie der Code der Trap-Handler müssen im Segment des Kernel vorhanden sein. 25

26 Zwischenbemerkung Der vorgestellte Umschalte-Mechanismus vom User-Programm in den Kernel verläuft analog genauso in folgenden Situationen: Beim Ausführen der Trap-Instruktion als Realisierung eines System-Aufrufs Beim Abbruch einer Instruktion aufgrund eines Fehlers (Exception) Bei Annahme eines Interrupts durch den Kernel Die letzten beiden Situationen können auch im Kernel-Mode eintreten, die erste eigentlich nur aus einem Benutzerprogramm heraus. 26

27 Beispiel: Syscall read() Beim read() wird ein Datenblock von einem Gerät in den RAM eines User- Programms durch das Betriebssystem kopiert (vereinfachte Darstellung). 27

28 Reaktion bei Speicherverletzungen I 1. Die MMU meldet der CPU eine Speicherverletzung (zu hohe Adresse) während der Ausführung eines Befehls. 2. Es erfolgt als Teil dieser Instruktion das, was einen Trap ausmacht, daher Wechsel in das Betriebssystem (Kernel-Modus) 4. Der Trap-Handler hat nun folgende Möglichkeiten: Abbruch des Prozesses mit eventuellem Erzeugen eines Speicherabzugs (core dump) zur Post-Mortem-Analyse Versuch weiteren Speicher bis zur Adresse, auf die versucht wurde zuzugreifen, bereit zu stellen: Bedingung: Prozess muss dann noch in den RAM passen Gelingt das nicht: Abbruch wie oben 28

29 Reaktion bei Speicherverletzungen II Als Reaktion einer Speicherverletzung wird eine Art eines impliziten Systemaufrufs zur Behandlung zur Vergrößerung des Speichers durchgeführt. Kann das Programm weiter ausgeführt werden, wird die abgebrochene Instruktion noch einmal ausgeführt; dazu müssen aber alle bis zum Abbruch schon getätigten Effekte beachtet werden. Das Letztere ist manchmal nicht einfach ist aber nur bei CISC- Rechnern notwendig, RISC-Maschinen haben nicht solche Probleme. Mit diesem Verfahren kann dynamisch der Speicher vergrößert werden. 29

30 Dynamische Vergrößerung des Arbeitsspeichers Das geschilderte Verfahren führt zur hoher Speichereffizienz, denn: Ein neuer Prozess bekommt zum Start den kleinst möglichen Speicher zugeordnet. Nur wenn er wirklich mehr Speicher braucht, bekommt er ihn dynamisch durch dieses Verfahren. Eine Speicherverletzung ist daher nicht unbedingt das Kennzeichen von einem fehlerhaften Programm. 30

31 Idee des Swapping Eigenschaften des bisherigen Segment-Konzepts: 1. Alle Segmente müssen in den Arbeitsspeicher passen. 2. Das größtmögliche Segment ist durch die Größe des Arbeitsspeichers begrenzt. Um die 1. Eigenschaft zu beseitigen, wird ein Stück Plattenspeicher als Arbeitsspeichererweiterung benutzt. Dieser Plattenbereich ist größer als der Arbeitsspeicher, so dass nun alle Segmente zusammen in diesen Bereich passen müssen, aber nicht zusammen in den Arbeitsspeicher. Vor Aus-/Weiterführung eines Programms wird das Segment in den RAM gebracht (swap in), zur Pause wird es aus dem RAM ausgelagert (swap out). Swapping = Einlagern und Auslagern von Segmenten von einer bzw. auf eine Platte bzw. SSD 31

32 Swapping 4 32

33 Der Schritt zum Paging Bei den Segmenten muss immer noch der gesamte Prozess in den RAM passen. Um nur die wichtigen Teile eines Segments einzulagern und alles andere auf dem Swap-Gerät zu lassen, wird das Segment in gleich große Seiten (Pages, Kacheln) eingeteilt, werden nur die Seiten, die gebraucht werden, in den RAM geladen. Seite = Page = Kachel = Gleichgroße Teile eines Segments Typische Seitengrößen liegen bei 4 bis 8 Kbyte. Jetzt müssen nur noch die tatsächlich benötigten Seiten - das können 2-3 sein - eines Prozesses im RAM liegen. Je weniger es sind, desto langsamer ist das Programm, da dann sehr häufig Seiten nachgeladen werden müssen. Das Paging-Verfahren hat noch den Vorteil, dass der RAM in gleichgroße Teile aufgeteilt wird, d.h. es entstehen keine verschieden lange Lücken zwischen den Segmenten. 33

34 Paging Aufteilung in Seiten 34

35 Paging Beispiel für Adressumsetzung Auswahl des Deskriptors 35

36 Erläuterungen Der virtuelle Adressraum wird durch Aufteilung der virtuellen Adresse in zwei Teilfelder in gleich große Seiten eingeteilt. Jede Seite erhält von der MMU einen eigenen Deskriptor, der jetzt ohne ein Längenfeld auskommen kann, da die Länge konstant ist. Es gibt ein Flag, das anzeigt, ob die Seite im RAM liegt oder nicht. Alle Zugriffe auf eingelagerte Seiten passieren ohne Probleme die MMU. Die eingelagerten Seiten können an beliebigen Orten im RAM liegen. Die virtuellen Startadressen sind nun von 0 an jeweils ein (Vielfaches von der Seitengröße) 1. Spätestens jetzt ist die Tabelle mit den Deskriptoren recht groß, bei 4 GB sind es 1024 bei einer Seitengröße von 4 KB pro Prozess. Die CPU holt sich automatisch aus der Tabelle die benötigten Deskriptoren, oder die MMU holt sich diese selbständig und benutzt dazu einen eigenen Cache. 36

37 Zugriff auf eine ausgelagerte Seite 1.Die MMU zeigt eine Speicherverletzung an, die den Abbruch der Instruktion bewirkt. 2.Es wird der Effekt einer nicht programmierten Trap-Instruktion ausgeführt. 3. Im Kernel wird die fehlende Seite nachgeladen. 4. Der korrespondierende MMU-Deskriptor wird verändert. 5.Anschließend wird in den User-Mode zurückgekehrt und die abgebrochene Instruktion wiederholt. Dieses Verfahren ist daher gleich dem obigen zur Speichervergrößerung. Damit ist das Einlagern von Seiten aus der Sicht des Programms vollkommen transparent. 37

38 Ursachen von "Traps" Die Ausführung eines "Traps" hat damit verschiedene Ursachen: 1. Als explizit programmierte Instruktion: System-Aufruf 2. Als Folge eines Fehlers, z.b. Division durch 0 3. Als Folge eines Zugriffs auf eine Adresse eines zu kleinen Segments, das vergrößert werden kann 4. Als Folge eines fehlerhaften Zugriffs auf eine Adresse 5. Als Folge eines Zugriffs auf eine nicht geladene Seite, die eingelagert werden soll 6. Als Folge einer Verletzung einer Zugriffsregel In allen Fällen entscheidet der Trap-Handler, was passiert. "Traps" sind also NICHT unbedingt Folgen eines Fehlers. 38

39 Seitenaustauschverfahren Bei jedem Schreibzugriff durch die CPU wird eine Seite als modifiziert markiert (Setzen des dirty-bits im Deskriptor). Seiten ohne gesetztes dirty-bit brauchen beim Auslagern nicht auf das Swap-Gerät geschrieben zu werden. Seiten, die am längsten nicht mehr benutzt wurden, sind gute Kandidaten zum Auslagern. Bemerkungen zur Strategie des Paging: Die Verfahren zur Bestimmung, welche Seite ausgelagert und welche eingelagert wird, beeinflussen entscheidend die Performanz. Das Problem, welche Seite ausgelagert werden sollte, ist dasselbe Problem wie bei den Caches. Hierzu gibt es verschiedenen Strategien, die alle ihre Vor- und Nachteile haben 39

40 Hybrid/Mischverfahren Das Seiten- und das Segment-Verfahren lassen sich gut kombinieren, indem verschieden lange Segmente in gleich große Seiten eingeteilt werden. Segmente haben dann immer die Länge des Vielfachen einer Seitenlänge. Diese Kombination ist das übliche Verfahren moderner Betriebssysteme. 40

41 Hybrid-Verfahren Auswahl des Deskriptors 41

42 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... 42