Memória Virtual

Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul – UEMS
Curso de Licenciatura em Computação
Sistemas Operacionais
Memória Virtual
Prof. José Gonçalves Dias Neto
[email protected]
Introdução
Memória virtual é uma técnica que combina-se as memórias principal e
secundária para dar a impressão ao usuário de existir uma memória
principal muito maior do que a real existente.
Não vincula o endereço feito no programa aos endereços físicos da
memória principal.
Os programas deixam de estar limitados ao tamanho da memória
principal, pois podem estar associados à memoria secundária.
Visa diminuir a fragmentação da memória principal e aumentar seu
compartilhamento.
Primeira implementação da memória virtual foi feita em 1960 no sistema
operacional Atlas.
Algumas funções da Gerência de Memória Virtual são desenvolvidas em
Hardware. (Desempenho)
O SO deve implementar suporte a arquitetura do processador,
principalmente seu endereçamento. (X86 X64)
Espaço de Endereçamento Virtual
Similar ao endereçamento de um vetor.
Espaço de Endereçamento Virtual
Um programa no ambiente de memória virtual não faz
referência a endereços físicos, somente a endereços
virtuais.
O processador manipula somente endereços da
memória principal.
Assim, antes da execução, os endereços virtuais
necessitam ser convertidos para endereços físicos.
Espaço de endereçamento Virtual: é o espaço de
endereços do processo ao qual este pode endereçar.
Espaço de endereçamento Real: Espaço de endereços
reais que o processador pode referenciar.
Espaço de Endereçamento Virtual
Espaço de Endereçamento Virtual
Como o espaço de endereçamento Virtual não tem
relação com o Espaço de Endereçamento Real
(memória principal), isso permite que o processo
esteja fora da memória principal.
Quando um programa é executado, somente parte
dele fica residente em memória principal, o restante
fica em memória secundária até ser chamado.
O programador não é afetado pelos endereços virtuais.
Os compiladores e linkers fazem o trabalho desse
gerenciamento. O SO cuida dos detalhes durante a
execução.
Espaço de Endereçamento Virtual
Mapeamento
Nos sistemas modernos, o mapeamento de
memória virtual para memória real é feito por
Hardware conjuntamente com o sistema
operacional.
MMU (Memory Management Unit) é o dispositivo
responsável por efetuar o mapeamento.
Quando um endereço de memória virtual é
chamado, a MMU entra em ação convertendo esse
endereço virtual em endereço real.
Assim o processador pode acessar a memória
principal.
Mapeamento
Cada processo possui sua própria tabela de mapeamento.
Quando um processo começa a executar, sua tabela de
mapeamento é carregada para fazer a conversão de
endereços virtuais em reais.
A troca de tabelas de mapeamento é realizada inserindo em
um registrador o endereço inicial da tabela a ser acessada.
As tabelas mapeiam blocos de dados cujo tamanho indica a
quantidade de entradas nas tabelas de mapeamento.
Quanto maior o bloco de dados, menos entradas nas
tabelas, isso faz com que as tabelas ocupem menos
espaço de memória.
Mapeamento
Mapeamento
Mapeamento (segundo a wikipedia)
IA-32/x86
A arquitetura x86 possui uma MMU muito complexa com vários modos de
operação devido à compatibilidade que foi mantida ao longo dos anos com
a evolução do x86. Na IA-32 a CPU primeiro divide a memoria em páginas
de 4 KiB, o endereço da memória é mascarado para que não seja maior do
que 32 bits. O resultado desse endereço pode ser pesquisado através de
uma estrutura de árvore, que é dividido da seguinte forma 10 bits para a
raiz, 10 bits para as folhas e os outros 12 bits são copiados diretamente
para o resultado.
x86-64
A x86-64 é uma extensão de 64 bits do x86, a diferença é que quando usado
páginas de 4 KiB a tabela de páginas tem quatro níveis ao invés de três. O
endereço virtual é dividido em 9 bits para cada um dos quatro níveis da
árvore, 12 bits copiados diretamente para o resultado e os 16 restantes
ficam inutilizados. Em páginas de 2 MiB são apenas 3 níveis da tabela de
páginas. Algumas CPUs mais novas da arquitetura x86 também suportam
páginas de 1 GiB com dois níveis de paginação.
Mapeamento – bloco de dados
Memória Virtual por Paginação
Técnica onde os espaços de endereçamento de memória
virtual e real são divididos em blocos de mesmo
tamanho chamados páginas.
Páginas no espaço virtual são chamadas páginas
virtuais, já as páginas no espaço real são
denominadas frames.
Cada processo possui sua própria tabela de páginas.
Cada página virtual possui uma entrada na tabela de
página (ETP) com informações que permitem encontrar
a página real correspondente.
Execução: As página virtuais são transferidas da memória
secundária e colocadas nos frames.
Memória Virtual por Paginação
Memória Virtual por Paginação
O ETP possui um bit (valid bit) que indica se a página
está ou não em memória.
Sempre que houver referência a endereço virtual,
verifica-se antes de tudo o bit de validade.
Se a página não estiver em memória (page fault), o
sistema transfere a página da memória secundária
para a memória principal (page in).
A quantidade de page fault em determinado intervalo
de tempo, determina a taxa de paginação do processo.
Essa taxa serve para identificar o overhead causado
pela utilização de paginação, que é maior quando
utiliza-se de E/S.
Memória Virtual por Paginação
Memória Virtual por Paginação
Quando ocorre um page fault, o processo entra
em estado de espera (bloqueado) até que a
página seja recuperada da memória secundária.
Ao terminar a busca, o processo retorna a fila de
prontos e aguarda novo escalonamento.
Através da paginação o podemos executar
programas sem que todo seu código esteja
disponível em memória principal.
Política de Busca de Páginas
A política de busca de página determina quando uma
página deve ser carregada na memória principal.
 Paginação por Demanda (demand paging) as páginas
são transferidas da memória secundária para a principal somente
quando são referenciadas.
 Paginação
Antecipada (antecipatory paging) o
sistema carrega em memória principal, além da pagina
referenciada, outras páginas que podem vir a ser utilizadas, ou
não. (princípio da localidade). Pode ser empregada no momento da
criação do processo e/ou na ocorrência de page faults
Quais as vantagens e
desvantagens de cada uma?
Políticas de Alocação de Páginas
A política de alocação de página termina quantos frames
cada processo pode manter na memória principal.
 Política
de alocação de tamanho fixo: Cada processo tem um
número máximo de frames que podem ser utilizados durante a execução
do processo. Esse valor máximo pode ser igual para todos os processos
ou escolhido individualmente e fica dentro do contexto de software.
 Política
de alocação de tamanho variável: A quantidade máxima
de frames utilizados por cada processo pode variar em função da taxa de
paginação e da ocupação de memória principal. ( exigem que o sistema monitore
constantemente as taxas referentes aos processos ).
Quais as vantagens e
desvantagens de cada uma?
Políticas de Substituição de
Páginas
Quando um processo atinge seu limite de alocação de
frames e ainda assim necessita alocar mais, devemos
escolher qual página residente em memória real substituir
pela nova página.
A página a ser substituída pode conter dados ou programas
executáveis.
No caso de programas a página não precisa ser salva, pois
já existe uma cópia em memória virtual.
No caso de dados que tenham sofrido modificação, esta
página deve ser atualizada na página de memória virtual
para que os dados não sejam perdidos.
Este processo de salva o “contexto” da página em memória
secundária é denominado page out.
Políticas de Substituição de
Páginas
Políticas de Substituição de
Páginas
O Sistema identifica se a página foi modificada
através de um bit (dirty bit ou modify bit).
A política de substituição pode ser:
Local: Somente as páginas do processo que gerou o page fault
são candidatas ao sofrer page out.

Global: Todas as páginas residentes em memória principal são
candidatas a page out. (com exceção das páginas do kernel do SO)

A política de alocação fixa permite unicamente substituição local, já a
alocação variável permite que seja escolhida a politica de
substituição local ou global.
Princípio de Localidade
O princípio de localidade indica que o processador
tenderá a concentrar suas referências a um conjunto
de páginas do processo durante um determinado
período de tempo.
Existem dois tipos de localidade:
Localidade espacial: tendência de que após uma referencia a
uma posição de memória sejam realizadas novas referencias a
endereços próximos.
Localidade temporal: tendência de que após a referência a
uma posição de memória, esta mesma posição seja novamente
referenciada em um curto intervalo de tempo.
Algoritmos de Substituição de
Páginas
“O maior problema na gerência de memória virtual por paginação não é decidir
quais páginas carregar para a memória principal, mas quais liberar. (Denning,
1968)
Esses algoritmos têm o objetivo de selecionar os
frames com menores chances de serem
referenciados em um futuro próximo.
Através do conceito de localidade, a maioria dos
algoritmos tenta prever o comportamento futuro das
aplicações em função do comportamento passado.
O problema é que quanto mais sofisticado o algoritmo
de substituição de páginas for, maior o overhead
que ele gera.
Algoritmos de Substituição de
Páginas
Dentre os algoritmos mais conhecidos temos:
Ótimo;

Aleatório;

FIFO;

LFU;

LRU;

NRU;

FIFO com buffer;

FIFO circular;

Algoritmo de substituição de
páginas Ótimo
Ele é ótimo… ... mas praticamente impossível
de ser implementado.
O Sistema Operacional não tem como prever o
comportamento futuro das aplicações.
Seleciona uma página que não será mais
referenciada no futuro ou aquela que levará
mais tempo para ser novamente utilizada.
Utilizado apenas como modelo comparativo.
Algoritmo para substituição de
página Aleatório
Utiliza o critério de aleatoriedade;
Qualquer página residente em memória está apta
a ser substituída, até os frames muito
utilizados;
Consome pouco recurso computacional;
Pouco utilizado;
Baixa eficiência.
Algoritmo para substituição de
página FIFO (First In First Out)
O algoritmo seleciona a página que está a mais tempo
residente em memória para ser substituída;
O algoritmo pode associar a cada página o seu timestamp
para verificar quem é a página mais antiga; ou
O algoritmo pode organizar as páginas em uma fila segundo
ordem de criação;
Nem sempre a página mais antiga é a menos utilizada;
Páginas constantemente referenciadas, como as páginas de
dados, o fator tempo da sua criação não indica quantidade
de referencias;
Raramente implementado sem outro mecanismo que minimize
o problema de páginas constantemente referenciadas.
Algoritmo para substituição de
página FIFO (First In First Out)
Algoritmo para substituição de
páginas LFU (Least Frequently Used)
Seleciona a página menos utilizada;
O algoritmo deve manter um contador para cada página a
fim de armazenar a quantidade de referências a esta;
A página com menor quantidade de referências será a
substituída;
As páginas que estão a pouco tempo em memória podem
ser escolhidas pois seus contadores estarão com
valores baixos;
É possível que uma página muito utilizada no passado
não esteja mais sendo utilizada;
Algoritmo pouco utilizado;
Algoritmo para substituição de
páginas LRU (Least Recently Used)
Escolhe a página que está a mais tempo sem ser utilizada
para sofrer substituição;
Justificada pelo princípio da localidade;
Uma página que não foi recentemente utilizada
provavelmente não será utilizada em um futuro próximo;
É necessário que cada página armazene o momento do seu
último acesso e que atualize este valor a cada novo
acesso; ou
Dispor as páginas em uma fila (lista encadeada) segundo o
seu último acesso;
Sua eficiência é comparável ao algoritmo ótimo, porém tem
alto custo computacional.
Algoritmo para substituição de
páginas NRU (Not Recently Used)
Necessita de um bit adicional (Bit de Referência – BR)
presente em cada entrada da tabela de páginas.
Quando a página é carregada para a memória
principal o bit é alterado para 1 (via hardware);
Periodicamente o sistema verifica e altera o bit para 0;
A medida que a página é utilizada o bit é alterado para
1 novamente;
Para substituir uma página o algoritmo localiza uma
página que esteja com o bit == 0 e a substitui;
Algoritmo para substituição de
páginas NRU (Not Recently Used)
O NRU torna-se mais eficiente se o bit de modificação for
utilizado em conjunto com o bit de referência.
Assim as páginas podem ser classificadas em 4 categorias;
O algoritmo então escolhe as páginas que não foram
utilizadas recentemente e não foram modificadas;
caso não existam, o algoritmo escolhe então as que não
foram referenciadas recentemente, mas foram
modificadas.
No último caso, mesmo as páginas havendo necessidade
de gravar na memória secundária a página modificada,
há pouca chance desta página ser novamente
referenciada.
Algoritmo para substituição de
páginas NRU (Not Recently Used)
*Bits de referência e modificação
Algoritmo para substituição de
páginas FIFO Circular (clock)
As páginas são alocadas em uma estrutura de lista circular;
Existe um ponteiro que guarda a posição da página mais antiga da lista;
Cada página possui também um bit BR;
Para substituir uma página, o sistema verifica o bit BR da página mais
antiga;
Se BR==0 a página é substituída;
Caso contrário BR=0 e o ponteiro é incrementado para a próxima
posição;
Caso BR == 1 para todas as páginas, a lista circular voltará a primeira
posição, que agora já estará com BR == 0 e a página será
substituída;
Algoritmo implementado (com pequenas alterações) na maioria dos sistemas
UNIX;
Algoritmo para substituição de
páginas FIFO Circular (clock)
Tamanho da página
Fator importante pra implementação de memória virtual por
paginação;
O tamanho da página tem impacto direto no tamanho da
tabela de páginas e no tamanho que esta ocupa na
memória principal;
Páginas pequenas aumentam o tamanho da tabela de
páginas e ocupam muito espaço na memória principal;
Páginas grandes diminuem o tamanho da tabela de páginas
porém facilitam a fragmentação interna.
Quanto maior a página, maior a ocorrência de termos código
pouco referenciado residente em memória principal,
ocupando espaço desnecessariamente.
Translation Lookaside Buffer (TLB)
O mapeamento de memória virtual para memória real implica
em pelo menos dois acessos à memória:
1 – tabela de páginas;
2 – acesso a página;
Somente uma pequena parte da tabela de páginas é necessária
por vez;
TLB é uma memória adicional (hardware), próxima à MMU
responsável por armazenar parte da tabela de páginas
evitando o acesso constante a tabela de páginas completa;
TLB mantém apenas as traduções de páginas mais
recentemente utilizadas (tipo uma cache);
A TLB está presente fisicamente nos processadores e pode
apresentar diversos níveis como uma cache.
Translation Lookaside Buffer (TLB)
Translation Lookaside Buffer (TLB)
Para traduzir um endereço virtual:
1 – sistema verifica na TLB;
2 – caso exista a tag, retorna o endereço físico mapeado
na TLB (TLB hit);
3 – Caso não exista a tag, a tabela de mapeamento deve
ser consultada (TLB miss);
4 – Se a página estiver na memória principal, a tradução
do endereço virtual é colocado na TLB;
5 – caso contrário, ocorre um page fault, a página deve
ser carregada em memória principal, a tabela de páginas
deve ser atualizada e a informação é carregada na TLB;
Translation Lookaside Buffer (TLB)
Quando todas as entradas da TLB ficam cheias e uma
nova entrada precisa se admitida, é necessário
escolher qual entrada remover;
As políticas mais empregadas são a aleatória e, mais
raramente a NRU;
Apesar de pequena (8 a 2048 endereços), a TLB proporciona
um alto índice de TLB hit, aumentando o
desempenho do sistema;
Geralmente a TLB contém unicamente dados sobre o
processo em execução, mas também pode ser
utilizada para armazenar dados de vários processos,
para isso deve existir um campo IDPROCESSO.
Translation Lookaside Buffer (TLB)
Proteção básica da memória
Basicamente o sistema de paginação possui
implícito um sistema simples mas funcional de
proteção;
 Cada processo tem sua própria tabela de
mapeamento;

A tradução é sempre feita pelo sistema;
Não é possível um processo acessar áreas de
memória de outro processo sem que haja
compartilhamento explícito;

Proteção por bits do sistema
Adicionalmente existem dois bits em cada página
que funcionam também como mecanismo de
proteção;
Os bits especificam o tipo de acesso permitido;
Compartilhamento de Memória
É Bastante simples a implementação de
compartilhamento de memória entre os
diversos processos;
Para compartilhar código entre diversos
processos, basta que as entradas das tabelas
de mapeamento dos processos apontem para
os mesmos frames na memória principal.
O compartilhamento de dados é similar, bastando
garantir o sincronismo no acesso a região
compartilhada.
Memória Virtual por Segmentação
Técnica onde o espaço de endereçamento virtual
é dividido em blocos de tamanhos diferentes
(segmentos).
O programa é dividido logicamente em subrotinas e estruturas de dados, alocadas em
segmentos na memória principal.
Existe relação entre a lógica do programa e sua
alocação na memória principal.
Cada segmento pode representar um
procedimento, função, vetor ou pilha.
Memória virtual por Segmentação
Memória virtual por Segmentação
O tamanho do segmento pode ser alterado
durante a execução do programa ( facilita estruturas
dinâmicas).
Os segmentos são mapeados através de Tabelas
de Mapeamento de Segmentos (TMS).
O endereço são compostos pelo numero do
segmento virtual (NSV) e um deslocamento.
O endereço real é obtido a partir do índice
retornado pela TMS + Deslocamento.
Memória virtual por Segmentação
Memória virtual por Segmentação
Vantagens na implementação de estruturas dinâmicas;
Se aplicações não forem desenvolvidas em módulos, grandes
segmentos estarão na memória desnecessariamente.
Para alocar segmentos na memória principal, o SO mantém uma
tabela com áreas livres e ocupadas.
Apenas os segmentos referenciados são transferidos da memória
secundária para a memória principal.
Assim, o sistema para selecionar uma área livre suficiente para
comportar o segmento, pode utilizar a mesma política da
alocação particionada dinâmica (first, best ou worst fit).
Enquanto na paginação ocorre o problema de fragmentação
interna, na segmentação ocorre a fragmentação externa. ( não existe
área grande suficiente para comportar o segmento )
Memória Virtual por Segmentação
Memória Virtual por Segmentação
com Paginação
Técnica de gerência de memória na qual o espaço de
endereçamento é divido em segmentos e por sua vez, cada
segmento dividido em páginas.
Oferece tanto vantagens da segmentação quando da paginação.
Um endereço virtual é formado pelo numero do segmento virtual
(NSV), um número da página virtual (NPV) e um deslocamento.
O NSV indica uma página virtual, que por sua vez funciona como um
índice na tabela de páginas.
Na visão do programador, seu programa continua sendo mapeado
na memória em segmentos.
O sistema trata cada segmento como um conjunto de páginas de
tamanho fixo.
Assim cada segmento não precisa estar contíguo na memória
principal, evitando a fragmentação externa.
Trashing
Problema encontrando tanto em sistemas que
implementam paginação quanto segmentação.
Trashing é a excessiva taxa de transferência de
páginas/segmentos entre a memória principal e a
memória secundária.
Paginação: Excessivo número de page fault:
Dimensionamento incorreto de limite máximo de
páginas do processo (pequeno);

Ausência do principio de localidade.

Segmentação:

Modularização extrema
Exercícios
1 – Descreva todo o processo gerência de
memória virtual por paginação que ocorre
quando é solicitada uma página de memória
virtual que pode ou não estar contida em
memória principal. (leve em consideração a
TLB e os possíveis escalonamentos que o
processo pode sofrer).
Exercício 01 - Solução
1 – O sistema possui a página de memória virtual necessária;
2 – O sistema consulta a TLB;
2 – caso exista a tag, retorna o endereço físico mapeado na TLB (TLB hit);
3 – Caso não exista a tag, a tabela de mapeamento deve ser consultada (TLB miss);
4 – Na tabela de mapeamento é verificado através do valid bit se a página está na memória
principal
4.1 - nesse caso a tradução do endereço virtual é colocado na TLB e esta retorna o
endereço físico.
5 – Caso contrário, ocorre um page fault
5.1 - a página deve ser carregada em memória principal,
5.1.1 – O processo solicita acesso de E/S, enquanto o sistema operacional efetua a
busca da informação o processo sofre preempção e é posto na fila de bloqueados até o
retorno dos dados solicitados.
5.1.2 – Após isso o processo volta à fila de prontos e aguarda até sofrer escalonamento
para o estado de execução.
5.1.3 – os dados são mapeados para a memória principal, caso haja espaço disponível;
5.1.4 – Caso contrário o algorítimo de substituição de páginas deve escolher qual página
substituir, fazendo com que a antiga vá para a memória secundária e a nova página
ocupe seu espaço.
5.1.5 A tabela de páginas deve ser atualizada e a informação é carregada na TLB;