5.4 Segmentierung. Einfachstes Beispiel: 1 Code-Segment + 1 Datensegment. 0 codelength 0 datalength. bs-5.4 1

Transkript

1 5.4 Segmentierung Adressraum besteht aus mehreren Segmenten (segments), die unabhängig voneinander manipulierbar sind. Segmentierungsstruktur ist festgelegt durch die Hardware den Adressumsetzer. Einfachstes Beispiel: 1 Code-Segment + 1 Datensegment Code Daten 0 codelength 0 datalength bs-5.4 1

2 Vorteile: Unterschiedliche Zugriffsrechte durch MMU überwacht erhöhen die Programmsicherheit; z.b. Code-Segment: schreibgeschützt (read/execute-only) Daten-Segment: Lese- und Schreibzugriff (read/write). Adressräume verschiedener Prozesse können in sinnvoller Weise überlappen; z.b. gemeinsames Code-Segment (code sharing). Segmente können unabhängig voneinander umgelagert werden; z.b. kann beim Auslagern eines Prozesses ein schreibgeschütztes Code-Segment ignoriert werden! bs-5.4 2

3 Standard-Segmentierungen 2 Segmente: Code feste Länge, normalerweise schreibgeschützt, von mehreren Prozessen gemeinsam benutzbar (shared code) Daten z.b. automatisch expandiert bei Kellerüberlauf (Beispiel: DEC System 10, 1970) 3 Segmente: Code wie oben Daten statisch und Halde Länge explizit änderbar Daten dynamisch Keller wie oben (Beispiel: Original-Unix auf DEC PDP-11, 1971) bs-5.4 3

4 3 Segmente: Code wie oben Daten gemeinsam benutzt (shared data) Daten privat 4 Segmente: Code privater Code Code Standard-Bibliothek einer Programmiersprache (shared libraries, dynamic link libraries (DLL) ) Daten statisch Daten dynamisch... und auch Hunderte/Tausende von Segmenten! bs-5.4 4

5 5.4.1 Hardware-Voraussetzungen (MMU) Elementarer Fall Code- und Daten-Segment: 4 Register: code base code length data base data length Identifizierung des jeweiligen Registerpaars durch das Steuerwerk: Befehlsadressen vs. Datenadressen (d.h. anstelle eines großen realen Speichers benutzt der Prozess zwei kleinere "virtuelle" Speicher mit unterschiedlichen Eigenschaften) bs-5.4 5

6 Allgemeiner Fall n gleichberechtigte Segmente, n = 2 k, Adressbreite a virtuelle Adresse: vs k Distanzadresse (offset) a - k vs = (virtuelle) Segmentnummer 2 k Segmente mit jeweils maximaler Länge 2 a-k bs-5.4 6

7 Z.B. für k=3: Adressraum eines Prozessors eines Prozesses bs-5.4 7

8 MMU: je Segment 1 Deskriptor-Register für Segmentdeskriptor (segment descriptor), z.b. so: base length w d w = writable bit: legt fest, ob in das Segment geschrieben werden darf. d = dirty bit: wird auf 0 gesetzt, wenn der Deskriptor in das Register geladen wird; wird auf 1 gesetzt beim ersten Schreibzugriff. bs-5.4 8

9 MMU sieht so aus: base length w d Achtung: eventuell mehrere Registersätze für die verschiedenen Prozessor-Modi (5.1.1 ) bs-5.4 9

10 Adressumsetzung: if desc[vs].base == 0 if desc[vs].length <= offset if not desc[vs].w and write (write = Schreibversuch) then address fault end; (non-existent segment) then address fault end; (off limits) then access fault end; location = desc[vs].base + offset; desc[vs].d = desc[vs].d or write. (vereinfachende Vorausetzung: base/length in Bytes gemessen) bs

11 5.4.2 Segmentverwaltung Segmentdeskriptoren, die das Betriebssystem für die Verwaltung der Segmente benötigt, enthalten mehr Information als die Deskriptor-Register: base length d backupbase refcnt c w-bit fehlt! (s.u.) backupbase = Auslagerungsadresse (5.3.2 ) refcnt = Verweiszähler = Anzahl der Prozesse, die das Segment gemeinsam benutzen c = coming -Bit = Einlagerungsvorgang läuft bs

12 Segmenttabelle (segment table) (Größe max) enthält die Deskriptoren aller Segmente im System: base length d backupbase refcnt c max Tabellenposition leer 12

13 Segmentliste (segment map) eines Prozesses im Prozessdeskriptor enthält für jedes Segment des Prozesses: (reale) Segmentnummer rs ( = Index in Segmenttabelle) w-bit bs

14 Segmentliste (segment map) eines Prozesses im Prozessdeskriptor enthält für jedes Segment des Prozesses: (reale) Segmentnummer rs ( = Index in Segmenttabelle) w-bit als z.b. bei einer MMU mit n=8 Segmenten (5.4.1 ) (rs = 0 : Segment existiert nicht) 3 0 rs w bs vs

15 Prozessor mit n=4 Arbeitsspeicher virtuelle Adresse vs Distanzadresse x rs w Segmentlisten... MMU base length w d (aktiver Prozess) Segmenttabelle base length d backupbase r c. Hintergrundspeicher x Segmente... resident auslagerbar 15

16 Adressraumumschaltung bei Prozesswechsel (5.1.2 ) dirty bits aus den Deskriptor-Registern der MMU in die Segmenttabelle retten (or!) base/length-daten des neuen aktiven Prozesses aus der Segmenttabelle in die Deskriptor-Register laden nach Maßgabe der Segmentliste w-bits in den Deskriptor-Registern setzen nach Maßgabe der Segmentliste (!) bs

17 5.4.3 Gemeinsame Datensegmente am Beispiel BSD Unix, Solaris, Linux [ Beachte: Linux setzt keine Hardware-Segmentierung voraus und spricht daher statt von Segmenten von Regionen (Code, statische Daten, Keller,...); die Adressumsetzung wird über Seitendeskriptoren ( 5.5.1) bewerkstelligt. ] Zusätzlich zu den drei Standard-Segmenten kann ein Prozess 1. neue Segmente erzeugen, 2. fremde Segmente in seinen Adressraum einblenden 3. und wieder ausblenden. bs

18 Systemaufrufe (shm = shared memory ): shmid = shmget(key, size, flags) Segment key der Größe size erzeugen und/oder abhängig von flags Segment key öffnen, d.h. einen geschützten Verweis dafür erzeugen, der über die Zahl shmid identifiziert wird; die gewünschten Attribute - hauptsächlich Zugriffsrechte - werden über flags spezifiziert (ähnlich wie bei Dateien). Fehler: EACCES u.a. bs

19 addr = shmat(shmid, addr, flags) ( attach ) Segment shmid an einer freien Stelle (geeignet ausgerichtet) in den Adressraum einblenden und seine Anfangsadresse liefern; Rechte bzgl. shmctl (s.u.) gemäß flags setzen. shmdt(addr) ( detach ) blendet das bei addr beginnende Segment aus. Ein nicht mehr benötigtes Segment muss explizit gelöscht werden (s.u.)! bs

20 shmctl(shmid, cmd, buffer) auf Segment shmid die Operation cmd ausführen, z.b. - Segment löschen - Daten abfragen - Rechte ändern - u.a. Verwandte Technik: memory-mapped files, d.h. Dateien in den Adressraum einblenden ( 6) bs

21 Imlementierung z.b. so: shmget : neuen Eintrag in einer um key erweiterten Segmenttabelle (5.4.2 ) vornehmen shmat : neuen Eintrag in Segmentliste des Prozesses vornehmen oder aber so in Solaris mit separater Shared Memory Table: bs

22 Arbeitsspeicher Shared Memory Table key region attr (shmget). shmid = 2 Segmentlisten rs w (shmat) (aktiver Prozess) base length d backupbase r c. Segmenttabelle (shmget)... Hintergrundspeicher x shmget Segmente... resident auslagerbar bs

23 5.4.4 Umlagerung segmentierter Prozesse Beachte 1: Umlagerung verändert nicht den Adressraum des Prozesses wenngleich die Deskriptoren marginal modifiziert werden. Beachte 2: Die wesentlichen Änderungen gegenüber 5.3 sind bedingt durch a) eventuell nicht veränderte Segmente, b) gemeinsam benutzte Segmente. Einlagern Auslagern Erweitern bs

24 Einlagern falls Speicherbelegung es erlaubt: 0. Gemeinsam benutzte Segmente bleiben unberücksichtigt, falls bereits eingelagert oder in Einlagerung befindlich (c-bit). 1. Segmentbereiche im Arbeitsspeicher reservieren. 2. Für jedes Segment base und c-bit setzen, Segment einlagern, c-bit löschen. 3. Prozess als eingelagert kennzeichnen (Operation start ). Beachte: Das c-bit ermöglicht das nebenläufige Einlagern mehrerer Prozesse durch den Swapper (was bei entsprechender Peripherie sinnvoll sein kann)! bs

25 Auslagern: 0. Für andere Prozesse noch benötigte gemeinsame Segmente bleiben unberücksichtigt. 1. Prozess stoppen (Operation stop ). 2. Für jedes Segment: base löschen; wenn dirty, dirty löschen, Segment auslagern; Speicherbereich freigeben. bs

26 Erweitern mit vorgezogener Auslagerung: 1. Neuen Segmentbereich im Auslagerungsbereich belegen. 2. Deskriptor in der Segmenttabelle erzeugen bzw. ändern. 3. Prozess auslagern unter Berücksichtigung des alten length-wertes. ( Verschiedene Effizienzverbesserungen sind möglich ) bs