Teil 2: Speicherstrukturen

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1 Inhalt Teil 2: Speicherstrukturen Hauptspeicher Cache Assoziativspeicher Speicherverwaltungseinheit ( Memory Management Unit ) 1

2 Virtueller Speicher Trennung von virtuellem Adreßraum (mit virtuellen Adressen) und Arbeitspeicher (mit physikalischen Adressen) Konzept des Virtuellen Speichers ermöglicht dem Anwendungsprogramm die Nutzung eines Adreßraums, der bedeutend größer ist als der verfügbare DRAM-Arbeitspeicher für jeden Prozeß einheitlich ab Adresse 0 beginnen kann drei verschiedene Techniken: Paging Segmentierung Segmentierung mit Paging zur schnellen Abbildung von virtuellen Adressen auf physikalische Adressen ist Hardwareunterstützung sinnvoll 2

3 Paging (Wdh.) virtueller Adreßraum der Größe A wird in A/K Seiten einer festen Größe K=2 k (typisch 4 KByte) eingeteilt physikalischer Arbeitsspeicher der Größe S wird in S/K Kacheln (auch Seitenrahmen oder page frames genannt) der gleichen Größe K eingeteilt Seiten des zusammenhängenden virtuellen Adreßraums werden i.a. auf nicht zusammenhängende Kacheln des physikalischen Speichers abgebildet Programme haben eine hohe Lokalität: nur Seiten mit den aktuell benötigten Codefragmenten müssen im Arbeitsspeicher sein, übrige Seiten werden erst bei einem Seitenfehler ( page fault ) von der Festplatte eingelesen für jeden Prozeß gibt es eine Seitentabelle ( page table ), die für jede Seite die Nummer der zugeordneten Kachel enthält 3

4 Paging (Wdh., Forts.) Realisierung: höherwertige Bits der virtuellen Adr. bilden Seiten-Nr. niedrigwertige Bits der virtuellen Adr. stellen Wortadresse in Kachel dar Präsenzbit gibt an, ob Seite präsent (1) oder ausgelagert (0) ist neben Kachel-Nr. und Präsenzbit kann Seitentabelle z.b. noch Referenzbit, Modifikationsbit und Zugriffbits enthalten 4

5 Paging (Wdh., Forts.) Einlagerungsstrategien: pre-paging : vorgeplante Einlagerung der in naher Zukunft benötigten Seiten, bevor sie vom Programm adressiert werden demand paging : Seiten werden nur bei Seitenfehler durch Auslösen einer Unterbrechung eingelagert Auslagerungsstrategien: random : es wird eine zufällig gewählte Seite ausgelagert first in first out (FIFO) : es wird stets die älteste Seite ausgelagert least recently used (LRU) : es wird die Seite ausgelagert, die am längsten nicht mehr benutzt wurde (in UNIX eingesetzt) least frequently used (LFU) : es wird die Seite ausgelagert, die am seltensten benutzt wurde optimal replacement : es wird die Seite ausgelagert, die am spätesten in der Zukunft wiederverwendet wird 5

6 Segmentierung Idee: jeder Prozeß verfügt über mehrere unabhängige Adreßräume, z.b. für: Code Daten Stack Symboltabelle jedes Segment beinhaltet einen (unterschiedlich großen) lokalen linearen Adreßraum 0 bis a max zur Adressierung eines Speicherwortes wird Segmentidentifikator und Segmentadresse a benötigt 6

7 Segmentierung (Forts.) Realisierung: Segmentregister enthalten die Startadresse eines Code-, Datenoder Stack-Segmentes maximale Segmentgröße i.a. fest nur vollständige Segmente können mittels Swapping auf Festplatte aus- und wieder eingelagert werden ( hohe externe Fragmentierung des Speichers möglich) viele Schutzmöglichkeiten: Vergleich von Segmentadresse a mit Segmentgröße verhindert ein Überschreiben anderer Segmente Zugriffsattribute (z.b. read / write / execute) für jedes Segment 7

8 Vergleich Paging / Segmentierung Paging: + völlig transparent für Programmierer + ein linearer virtueller Adreßraum + Speicher eines Prozesses durch separate Seitentabellen vor Zugriff durch andere Prozesse geschützt sehr hoher Speicherbedarf für Seitentabellen (Abhilfe: zweistufige Adreß- Umsetzung mittels Seitenverzeichnis und Seitentabelle) Segmentierung: + viele lineare virtuelle Adreßräume + viele Schutzmöglichkeiten implementierbar + leichte Handhabung von Stack und Tabellen variabler Größe Programmierer/Compiler muß Segmente explizit verwalten Swapping kann zu hoher E/A-Belastung und zu einer hohen externen Fragmentierung des Speichers führen 8