حافظه مجازی ۵

حافظه مجازی ۵

اسلاید 1: Virtual Memoryفصل هشتم1

اسلاید 2: Hardware and Control Structuresدر زمان اجرا ارجاعات به حافظه بصورت پویا ترجمه میشوند.بدلیل وجود مسئله جابجایی، فرآیند ممکن است در جاهای مختلفی از حافظه قرار گیرد.نیازی نیست که تمام تکه های برنامه در حال اجرا، وارد حافظه شوند.2

اسلاید 3: Execution of a Programسیستم عامل چند تکه از برنامه را برای اجرا به حافظه اصلی می آورد.مجموعه مقیم: قسمتی از برنامه که داخل حافظه اصلی است.وقتی که به آدرسی نیاز داشته باشیم که در حافظه اصلی نباشد یک وقفه تولید می گردد.سپس، سیستم عامل فرآیند را مسدود می کند.تکه مورد نیاز که حاوی آدرس منطقی تولید شده است وارد حافظه می گردد.3

اسلاید 4: Advantages of Breaking up a Processفرآیندهای بیشتری وارد حافظه اصلی می شوند.ممکن است فرآیند از حافظه اصلی بزرگتر باشد.4

اسلاید 5: Types of Memoryحافظه واقعیحافظه اصلیحافظه مجازیحافظه روی دیسکامکان چند برنامگی را فراهم می کند و کاربر را از محدودیت های حافظه اصلی نجات میدهد.5

اسلاید 6: Thrashingجابجایی قسمتی از برنامه درست قبل از وقتی که به آن نیاز داریم بیشتر وقت پردازنده به جای اجرای دستورات کاربر صرف جابجایی تکه ها می شود.6

اسلاید 7: Principle of Localityارجاعات به کد برنامه و داده در فرآیند بصورت خوشه ای است.در یک دوره کوتاه زمانی، تعداد کمی از تکه های فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند.لذا، می توان فهمید که در آینده نزدیک به کدام تکه ها نیاز خواهیم داشت و از کوبیدگی اجتناب کرد.7

اسلاید 8: Support Needed for Virtual Memoryسخت افزار باید از صفحه بندی و قطعه بندی حمایت کند.سیستم عامل باید قادر به حرکت دادن صفحات و قطعه ها بین حافظه اصلی و جانبی باشد.8

اسلاید 9: Pagingهر فرآیند دارای یک جدول صفحه است.هر ردیف جدول صفحه شامل شماره قاب معادل در حافظه اصلی است.یک بیت نیز وجود دارد که مبین حضور یا عدم حضور صفحه در حافظه اصلی است. 9

اسلاید 10: Modify Bit in Page Tableیک بیت کنترلی دیگر، نیاز است که مشخص می کند که آیا صفحه موجود در حافظه اصلی در حین اجرا تغییر کرده است یا نه.اگر صفحه تغییر نکرده بود، نیازی نیست که هنگام جایگزینی صفحه در حافظه جانبی نوشته شود.10

اسلاید 11: Page Table Entries11

اسلاید 12: 12

اسلاید 13: Page Tablesممکن است که جدول صفحه خیلی بزرگ باشد و نگهداری آن در حافظه اصلی مقدور نباشد.در این حالت جدول صفحه نیز در حافظه جانبی نگهداری می شود. وقتی که فرآیند اجرا می شود قسمتی از جدول صفحه ی آن در حافظه اصلی قرار می گیرد.13

اسلاید 14: Two-Level Hierarchical Page Table14

اسلاید 15: Address Translation for Hierarchical page table15

اسلاید 16: Inverted Page Table16

اسلاید 17: Translation Lookaside Bufferهر ارجاع به حافظه ی مجازی به دو ارجاع به حافظه ی جانبی منجر میشود.برای غلبه بر این مشکل، از یک حافظه ی نهان سریع برای نگهداری ردیفهای جدول صفحه استفاده می شود.این حافظه نهان TLB نامیده شده است.TLB شامل ردیفهایی از جدول صفحه است که اخیرا به آنها ارجاع شده است.17

اسلاید 18: Translation Lookaside Bufferوقتی یک آدرس منطقی به دست پردازنده می رسد، ابتدا TLB را چک می کند.اگر ردیفی وجود داشت (a hit) ، شماره ی قاب متناظر با شماره ی صفحه برداشته می شود.اگر ردیف متناظر در TLB وجود نداشت (a miss) ، از شماره ی صفحه برای ایندکس کردن جدول صفحه استفاده می کنیم.ابتدا وجود جدول صفحه در حافظه اصلی چک می شود. اگر وجود نداشت خطای صفحه تولید می شود.اگر وجود داشت، TLB تازه می شود تا شامل صفحه جدید گردد.18

اسلاید 19: 19

اسلاید 20: 20

اسلاید 21: TLB and Cache21

اسلاید 22: Page Sizeهر چه سایز صفحات کوچکتر باشد: تکه تکه شدن داخلی کمتر است.تعداد صفحات فرآیند بیشتر است.تعداد صفحات بیشتر به معنای جدول صفحه ی بزرگتر است. به عبارت دیگر، قسمتی از جدول صفحه در حافظه ی مجازی خواهد بود.22

اسلاید 23: Page Sizeاگر سایز صفحه کوچک باشد، تعداد زیادی از صفحات در حافظه اصلی هستند. در حین اجرا، صفحاتی که در حافظه قرار دارند شامل قسمتهایی از فرآیند هستند که اخیرا مورد ارجاع قرار گرفته اند. لذا خطاهای صفحه کم می شوند.اگر سایز صفحه بزرگ باشد، هر صفحه حاوی محلهایی است که از ارجاعات فعلی دور هستند. لذا خطاهای صفحه افزایش می یابند.23

اسلاید 24: 24

اسلاید 25: Segmentationقطعات دارای اندازه های مختلف هستند. (اندازه ی پویا)اجازه می دهد که برنامه ها بصورت مستقل تغییر یابند و کامپایل شوند.به راحتی با اشتراک داده بین فرآیندها کنار می آید.به آسانی مسأله حفاظت را حل می کند.25

اسلاید 26: 26

اسلاید 27: Segment Tablesقطعه متناظر را در حافظه اصلی نشان می دهد.هر ردیف طول قطعه را نیز مشخص می کند.یک بیت نیز نشان می دهد که آیا قطعه در حافظه اصلی است یا نه؟یک بیت دیگر نیز مشخص می کند که آیا قطعه از زمان حضور (بارگذاری) در حافظه تا کنون تغییر کرده است یا نه؟27

اسلاید 28: Segment Table Entries28

اسلاید 29: Segmentation29

اسلاید 30: Combined Segmentation and Pagingتکنیک صفحه بندی از دید برنامه نویس پنهان است. صفحه بندی تکه تکه شدن خارجی را حذف می کند.قطعه بندی برای برنامه نویس قابل مشاهده است.هر قطعه به صفحات با سایز ثابت تقسیم می گردد.30

اسلاید 31: Combined Segmentation and Paging31

اسلاید 32: Combined Segmentation and Paging32

اسلاید 33: OS policies for Virtual Memory33

اسلاید 34: Fetch Policyسیاست واکشیمشخص می کند که چه موقع یک صفحه باید به حافظه آورده شود.صفحه بندی بر اساس تقاضا فقط وقتی صفحات را به حافظه می آورد که یک ارجاع به محلی در آن صفحه داده می شود. لذا در هنگام شروع فرآیند شاهد تعداد زیادی خطای صفحه خواهیم بود.تکنیک پیش صفحه بندی بیشتر از حد نیاز صفحه بار می کند. اگر صفحات مجاور در دیسک سخت را بارگذاری کنیم موثرتر خواهد بود.34

اسلاید 35: Replacement Policyسیاست جایگزینیهنگام پر شدن حافظه کدام صفحه را جایگزین کنیم.صفحه ای که حذف می شود باید صفحه ای باشد که احتمال مراجعه به آن در آینده نزدیک کمتر است. اکثر سیاستها سعی می کند از روی رفتار گذشته فرآیندها، رفتار آینده ی آنان را پیش بینی کنند.35

اسلاید 36: Replacement Policyقفل کردن قاباگر قابی قفل شده است نباید جایگزین شود.هسته سیستم عاملبافرهای I/Oبه هر قاب یک بیت قفل نیز منتسب می کنیم.36

اسلاید 37: Basic Replacement Algorithmsسیاست بهینهصفحه ای برای جایگزینی انتخاب می شود که زمان ارجاع بعدی به آن دورترین است.آگاهی کامل از آینده امکان پذیر نیست.37

اسلاید 38: Basic Replacement Algorithmsسیاست Least Recently Used (LRU)صفحه ای را که مدت طولانتری مورد ارجاع قرار نگرفته است را جایگزین کنید.بر اساس اصل محلی بودن ارجاعات، این صفحه همان صفحه ای است که در آینده دورتری مورد ارجاع قرار می گیرد. هر صفحه باید دارای یک برچسب باشد که در زمان آخرین ارجاعی که به آن شده، تنظیم شده است. لذا به سربار زیادی خواهیم داشت.38

اسلاید 39: Basic Replacement Algorithmsسیاست (FIFO)قابهایی که به فرآیند اختصاص داده شده است را بصورت یک بافر حلقوی در نظر می گیرد.از لحاظ پیاده سازی ساده ترین سیاست جایگزینی است.صفحه ای که مدت بیشتری در حافظه بوده است، کاندید جایگزینی است.یکی از عیوب این روش این است که این صفحه ممکن است بزودی مورد استفاده قرار گیرد. 39

اسلاید 40: Basic Replacement Algorithmsسیاست ساعتبه هر قاب یک بیت استفاده منتسب می کنیم.هنگامی که صفحه برای اولین بار وارد حافظه می شود بیت استفاده صفر است.وقتی که صفحه مورد ارجاع قرار می گیرد، بیت استفاده یک می گردد.وقتی که به جایگزینی نیاز باشد، با کمک یک اشاره گر بافر را میگردیم. اولین صفحه ای که در مسیر ما بیت استفاده آن صفر باشد،برای جایگزینی انتخاب می گردد.اما بیتهای استفاده صفحاتی که در مسیر جستجوی ما قرار می گیرند به صفر تبدیل میگردند. اشاره گر نیز همیشه به قاب بعدی (بعد از قاب جایگزین شده) اشاره می کند.40

اسلاید 41: 41

اسلاید 42: 42

اسلاید 43: Comparison of Replacement Policies43

اسلاید 44: Basic Replacement Algorithmsبافر کردن صفحهصفحه ای که قرار است جایگزین شود به یکی از دو لیست زیر منتقل می گردد:لیست صفحات خالی: اگر صفحه تغییر نکرده باشد.لیست صفحات تغییر یافته: اگر صفحه تغییر کرده باشد.یعنی سیستم عامل دو بافر صفحه دارد.44

اسلاید 45: Resident Set Sizeتخصیص ثابت:به هر فرآیند تعداد ثابتی از صفحات برای اجرا داده میشود.اگر خطای صفحه رخ دهد، یکی از صفحات آن فرآیند جایگزین می شود.تخصیص متغیر:در مدت حیات فرآیند، تعداد صفحاتی که به آن تخصیص داده شده تغییر می کند. 45

اسلاید 46: Variable Allocation, Global Scopeاز لحاظ پیاده سازی ساده ترین است.اکثر سیستم عاملها از این روش استفاده می کنند.سیستم عامل لیستی از قابهای خالی را نگهداری می کند. وقتی که یک خطای صفحه رخ دهد، یکی از قابهای خالی به آن داده می شود.اگر قاب خالی وجود نداشت، یک قاب از دیگر فرآیندها برای جایگزینی انتخاب می گردد. 46

اسلاید 47: Variable Allocation, Local Scopeوقتی که یک فرآیند جدید اضافه شود، با توجه به نوع کاربرد، درخواست فرآیند و یا دیگر معیارها تعدادی قاب به آن اختصاص داده می گردد.هنگام وقوع خطای صفحه، از مجموعه مقیم فرآیندی که عامل خطا است، صفحه ای برای جایگزینی انتخاب می گردد.اندازه قابهای تخصیص یافته به فرآیند می تواند در طول زمان تغییر نماید.47

اسلاید 48: Cleaning Policyپاکسازی بر اساس تقاضاصفحه ای که تغییر کرده است فقط هنگام جایگزینی در حافظه ثانویه نوشته می گردد.پیش پاکسازیصفحات بصورت دسته ای در حافظه ثانویه نوشته می گردند.48

اسلاید 49: Cleaning Policyروش بهتر استفاده از بافر صفحه است:صفحات جایگزین شده در دو لیست قرار می گیرند:تغییر کرده و تغییر نکردهصفحاتی که در لیست تغییر یافته هستند، بصورت متناوب و دسته ای در حافظه ثانویه نوشته می شوند.صفحاتی که در لیست تغییر نیافته هستند، یا دوباره فراخوانی می شوند یا از دست می روند (وقتی که قاب مربوطه به یک فرآیند دیگر داده شود).49

اسلاید 50: Load Controlکنترل بار عبارت است از مشخص کردن تعداد فرآیند های مقیم در حافظه اصلی.اگر کم باشد: موقیعتهایی زیادی پیش می آید که تمام فرآیندها مسدود هستند و وقت پردازنده صرف جابجایی فرآیند ها می شود.اگر تعداد فرآیندها زیاد باشد: احهتمال وقوع پدیده کوبیدگی زیاد می شود.50

اسلاید 51: Process Suspensionفرآیند با کمترین اولویتفرآیند تولید کننده خطامجموعه کاری مورد نیاز این فرآیند در حافظه نیست، پس آن را مسدود کنید.آخرین فرآیندی که فعال شدهاحتمال اینکه مجموعه کاری این فرآیند مقیم باشد، کمتر است.فرآیندی که مجموعه مقیم آن کوچکتر استدرآینده به کار کمتری برای فراخوانی مجدد آن نیاز داریم.فرآیندی که مجموعه مقیم آن بزرگتر استتعداد قابهای خالی بیشتری بدست می آوریم.فرآیندی که پنجره اجرای باقیمانده آن بزرگتر است.51