6 Speicherverwaltung

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1 6 Speicherverwaltung

2 6.1 Hintergrund Ein Programm muß zur Ausführung in den Hauptspeicher gebracht werden und in die Prozeßstruktur eingefügt werden. Dabei ist es in mehreren Schritten zu modifizieren. Es müssen so mehrere Programme gleichzeitig im Hauptspeicher untergebracht werden.

3 Die Festlegung der Adressen kann zu drei Zeitpunkten geschehen: Beim Übersetzen: Die Adressen müssen bereits beim Übersetzen festliegen. Werden sie verändert, so muß neu übersetzt werden. Beim Laden: Es muß ein verschiebbarer (relocatable) Programmtext vom Compiler erzeugt werden. Beim Binden (Link) bleibt der Programmtext verschiebbar. "Fixup" des Programmtextes nach dem Laden im Speicher. Bei der Ausführung: Während der Ausführung der einzelnen Instruktionen findet eine Anpassung der Adressen an die gerade vorliegenden Startadressen statt. Dazu ist eine Hardwareunterstüzung nötig (z.b. ein Basisregister und ein Grenzregister).

4 Beispiel #include < stdio.h> int a,b,c; int main(void) { a=1; b=3; c=a+b; return 0; }

5 ; File E:\lv\ss00\ebs1\kap6example\exam.cpp In OBJ-Datei... ; Line a mov eax, DWORD PTR?a@@3HA ; a 0001c add eax, DWORD PTR?b@@3HA ; b a mov DWORD PTR?c@@3HA, eax ; c a c3 ret 0 In EXE-Datei (Die Adressen werden im " little endian"-format dargestellt). A1 80 3C C A3 88 3C Adressen der Variablen bei der Ausführung a 0x00413c80 b 0x00413c84 c 0x00413c88 Adresse des Programmtextes für main() ab 0x Lader

6 Geladener Programmtext im Hauptspeicher 5: int main(void) { push ebp mov ebp,esp 6: 7: a=1; mov dword ptr [?a@@3ha(0x00413c80)],1 8: b=3; D mov dword ptr [?b@@3ha(0x00413c84)],3 9: c=a+b; mov eax,[?a@@3ha(0x00413c80)] C add eax,dword ptr [?b@@3ha(0x00413c84)] mov [?c@@3ha(0x00413c88)],eax 10: 11: return 0; xor eax,eax 12: } pop ebp A ret a 0x00413c80 b 0x00413c84 c 0x00413c88

7 .1 Logischer vs. Physikalischer Adreßraum Das Konzept eines logischen Adreßraums, der an einen separaten physikalischen Adreßraum gebunden wird, ist zentral in einer Speicherverwaltung. - Logische Adresse: erstellt von CPU bei der Programmausführung, auch als virtuelle Adresse bezeichnet. - Physikalische Adresse: die von der Speichereinheit gesehene Adresse. Logische und physikalische Adressen sind insbesondere bei der Adreßfestlegung während der Ausführungszeit verschieden. ine Speicherverwaltungseinheit (Memory-management nit, MMU), ein Bestandteil der Hardware, bildet die ogische in die physikalischen Adressen ab. ie Anwendung operiert mit virtuellen Adressen, sie sieht ie die realen physikalsischen Adressen.

8 Beispiel: Basisadresse Adressumsetzung Hauptspeicher CPU log. Adr. Basisregister phys. Adresse Zusätzlich könnte die MMU noch eine Grenzüberprüfung durchführen: Ist 456 kleiner als der Wert in einem Grenzregister? Ja: o.k. N: Fehler.

9 6.1 Zuweisung eines zusammenhängenden Speicherbereichs Monitor geschützter Bereich Platz für die Adressräume der Prozesse

10 Bezeichnung: Einen zusammenhängenden Adreßraum für einen Prozeß bezeichnet man als Region oder Partition. System mit einer Partition, z.b. MS-DOS System mit mehreren Partitionen - mit fester Einteilung (feste Anzahl von Partitionen) - mit variabler Einteilung (variable Anzahl von Partitionen)

11 Verschnitt - bei fester Größe der Partition: interner Verschnitt A - bei variabler Größe: externer Verschnitt B A: feste Aufteilung B: variable Aufteilung Monitor Monitor Prozeß A Partition Prozeß A nicht genutzt leer Prozeß B nterner Verschnitt externer Verschnitt Variable Aufteilung - eine Lücke ist ein zusammenhängender, verfügbarer Speicherblock; diese Lücken sind über den ganzen Speicher verstreut. - Wenn ein Prozeß hinzukommt, dann wird ihm ein Speicherbereich aus einer genügend großen Lücke zugewiesen.

12 Mechanismus Warteschlange der ankommenden Prozesse C Langzeit Prozeß A scheduling frei -- Prozeß C Beim Prozeßende wird der Bereich freigegeben. Prozeß B Das Betriebssystem verwaltet Informationen über: - zugewiesene Partitionen - freie Partitionen (Lücken)

13 Problem: die dynamischen Speicherzuordnung ist ein dynamischer Vorgang, eine vorausschauende Planung ist nicht möglich, da man nicht weiß, wann Prozesse Speicher freigeben und wann Speicherbereiche angefordert werden. Wie wird eine Nachfrage nach einer Partition der Länge n aus der Liste der Lücken befriedigt? - First-fit: Die erste Lücke, die groß genug ist, wird genommen. - Best-fit: Die kleinste Lücke, die noch groß genug ist, wird genommen. Führt zu vielen kleinen Lücken. - Worst-fit: Die größte Lücke wird genommen. Läßt größere Lücken übrig. lle Verfahren bevorzugen kleinere Speicheranforderungen. Der Speicher ird zerstückelt. Viele kleine Lücken sind über den ganzen Speicher erstreut. Damit fehlt oft der zusammenhängende Platz für eine große peicheranforderung. Verbesserungen - Kompaktifizierung - Segmentierungsverfahren - Seitenverfahren - Swap

14 .1.1 Kompaktifizierung ier wird die belegten Partitionen zusammengeschoben. oraussetzung: der Adreßraum muß verschiebbar sein. amit kommen nur Varianten in Frage, die eine Adreßfestlegung während der Ausführung rmöglichen (logische Adresse ungleich physikalischer Adresse). belegt belegt frei Prozeß A Basis für A neue Basis für A Prozeß A frei frei /O-Problem Liegen die Puffer im Adreßraum des Prozesses darf dieser während der IO nicht erschoben werden. Die IO geschieht grundsätzlich über Puffer im Adreßraum des Betriebssystems.

15 .1.1 Swapping (Auslagerung) Das Speicherabbild eines Prozesses wird temporär in einen externen Speicher ausgelagert (swap out). Vor der Fortsetzung des Ausführung wird es wieder in den Hauptspeicher eingelagert (swap in). Hauptspeicher Plattenspeicher A A B B ie hier vorgestellte Variante eines Swap wird heute nicht mehr verwendet. er Begriff "Swap" wird heute im Zusammenhang mit der Virtuellen peicherung verwendet (Swap-Datei).

16 6.1.1 Speicherverwaltung mit Segmentierung Der Adreßraum des Prozesses ist aufgeteilt in Segmente. Die Segmentaufteilung geschieht per Programmierung und wird hardwaremäßig unterstützt. Siehe PC-Hardware. Ein Programm ist eine Ansammlung von Segmenten. Ein Segment ist eine logische Einheit wie: Hauptprogramm Prozedur Funktion lokale Variable, globale Variable Stack Arrays (große Datenblöcke)

17 Beispiel Ein großer Adressraum wird aufgeteilt in mehrere kleine Adressräume. Die kleinen Adressräume werden nummeriert. ---> Die Adressen werden zweidimensional! 2

18 Der logische Adreßraum ist zweidimensional: (SegmentNr., Offset). z. B: ( 3, 288 ) Speicherfeld 288 im Segment 3 Segmenttabelle: Bildet den zweidimensionalen logischen Adreßraum in eine physikalische Adresse ab. Basis - enthält die Anfangsadresse des Segmentes im Speicher Limit - enthält die Länge des Segmentes Segment-Nr. Basisadresse des Segment-Länge Segmentes 01 0x x x x Die log. Adresse (03, 330) ergibt die Adresse 0x Die log. Adresse (02, 7000) ergibt einen Adressfehler: Offset zu groß. Die log. Adresse (05,080) ergibt einen Adressfehler: Segment nicht vorhanden.

19 Basisregister der Segmenttabelle (STBR): enthält die Anfangsadresse der Segmenttabelle. Längenregister (STLR): enthält die Zahl der Segmente des Prozesses. Segmentnr. s ist zulässig, wenn s kleiner STLR ist. Eigenschaften: Verschieben der Segmente (Relocation): dynamisch möglich, Modifikation der Basisadresse in der Segmenttabelle Sharing - Der Zugriff zu Segmenten kann geteilt (shared) organisiert werden. Schutz - Über zusätzliche Einträge in der Segmenttabelle kann man ein Schutzsystem eingerichtet werden (privilegierter Zugriff). Speicherzuweisung - first fit/ best fit, externer Verschnitt

20 Resume: Bei der Segmentierung muss nicht der komplette Adressraum eines Prozesses kompakt in einer freien Lücke des Speichers eingerichtet werden. Er kann stückweise (per Segment) in verschiedenen freien Lücken eingerichtet werden. Da die Umwandlung der log. Adresse durch das System erfolgt, kann zusätzlich noch leicht eine Überprüfung auf Gültigkeit der Adresse erfolgen.

21 6.1.1 Speicherverwaltung mit Seitenstruktur (Paging) Seitenstruktur Der physikalische Speicher wird in Blöcke fester Länge, Rahmen genannt (frames), aufgeteilt. Der logische Adreßraum wird in Blöcke derselben Länge aufgeteilt, Seiten genannt (pages). Buchführung über alle freien Rahmen Um ein Programm der Länge n Seiten auzuführen, benötigt man n freie Rahmen und lädt es seitenweise in diese Rahmen. Für die Abbildung der logischen in die physikalischen Adressen wird eine Seitentabelle erstellt. Interner Verschnitt.

22 Die logische Adresse der CPU wird in zwei Komponenten aufgeteilt: - Seitennummer (p) - benutzt als Index in der Seitentabelle, die die Basisadresse der Seite im Hauptspeicher enthält. - Seitenoffset (d) - kombiniert mit der Basisadresse, erhält man die physikalische Adresse logische Adresse phys. Adresse CPU p d f d Hauptspeicher p f

23 Beispiel Seite 0 Seite 1 Seite 2 Seite Logischer Seiten- Adreßraum tabelle Seite 0 Seite 2 Seite 1 Seite 3 Hauptspeicher Die log. Adresse (Seite 1, Offset 3333 inerhalb der Seite) ergibt die Adresse Die log. Adresse ergibt: Die log. Adresse ergibt einen Fehler: Seite nicht vorhanden.

24 Bemerkungen zur Seitentabelle Die Seitentabelle steht im Hauptspeicher. Ein Register zeigt auf den Anfang der Tabelle. Ein anderes enthält die Länge der Tabelle. Jeder Speicherbezug seitens der Programmausführung benötigt zwei Speicherzugriffe (1. Seitentabelle, 2. Speicherfeld) Speicherschutz: Ein Prozeß kann sich nur auf die Rahmen beziehen, die in seiner Seitentabelle vorkommen.

25 weistufige Seitentabellen er Speicherbedarf für die Seitentabellen kann sehr hoch werden. Zur peicherbedarfminderung kann man zweistufige Seitentabellen oder nvertierte Tabellen verwenden. Bei beiden Verfahren wird der Zugriff angsamer. Eine logische Adresse (auf einer 32-bit Maschine mit 4k Seitengröße) ist so aufgeteilt: - eine Seitennummer der Länge 20 bit. - ein Seitenoffset der Länge 12 bit. Eine logische Adresse hat bei zweistufiger Umsetzung folgende Struktur: Seitennr. Seitenoffset p1 p2 d Länge in bit

26 Die Adreßabbildung logisch --> physikalisch sieht wie folgt aus: ogische Adresse p1 p2 d p1 p2 Äußere Seitentabelle Seitentabellenverzeichnis Seitentabelle f d Seite im Rahmen f

27 Segmentierung mit Seitenstruktur am Beispiel des Intel 386 Es handelt sich hier im wesentlichen um eine zweistufige Adreßabbildung. Das Verfahren wird beim "flachen" 32-Bit Adressraum verwendet. Es wird immer mit Segment:Offset Adressen gearbeitet. Das Bit 0 im CR0-Register gibt an, wie daraus eine flache eindimensionale Adresse berechnet wird: Wert 0: Real Mode SegmentAdr*16 + Offset = 20 bit flache Adresse Wert 1: Protected Mode Segmentselector -> Segmenttabelle = Basisadresse, Basisadresse + Offset = 24 bzw. 32 bit flache Adresse Im RealMode wird die 20 bit Adresse als physikalische Adresse genommen. Im ProtectedMode 16 Bit wird die flache 24bit Adresse als physikalische Adresse genommen. Beim Protected Mode 32bit wird über Bit 31 von CR0 das weitere Vorgehen mit der flachen 32bit-Adresse entschieden: Wert 0: Die 32bit flache Adresse wird als physikalische Adresse genommen. Wert 1: Die 32bit flache Adresse wird über das Seitenverfahren in eine physikalische Adresse umgewandelt. Wichtig: Im ProtectedMode müssen die Segmenttabellen existieren. Beim Seitenverfahren müssen zusätzlich die Seitenverzeichnisse und Seitentabellen vorhanden sein.

28 Log. Adr Selector offset Deskritptortabelle segment descriptor + lineare Adresse(flach) directory page offset page directory page table Seite im Rahmen directory entry page table entr. Basisreg. f. Pagedir.

29 Beispiel für die 32-Bit Variante Logische Adresse (03, 330) Segment-Nr. Basisadresse des Segment-Länge Segmentes 01 0x x x x Die log. Adresse (03, 330) ergibt die "flache" logische Adresse 0x Diese flache 32-Bit Adresse wird so interpretiert (bei "paging"):

30 Bit-Darstellung: die " flache" logische Adresse 0x Tabellen- Seitentabelle Offset (=0x330) verzeichnis 10 Bit 10 Bit 12 Bit : Gesamt 32 Bit Tabellenverzeichnis 0010B 0xA Seitentabelle Anfangsadresse: 0xA B 0x00440 B bedeutet Bit-Darstellung, 0x bedeutet Hexa-Darstellung. Gefunden wurde die Rahmennummer: 0x00440 Die phys. Adresse erhält man durch Anhängen des Offset an die Rahmennummer: 0x