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Asignatura: Estructura de los computadores, Profesor: José Jaime Ruiz Ortiz, Carrera: Ingeniería de Software, Universidad: UCM
Tipo: Apuntes
1 / 19
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ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
El sistema de memoria virtual de los actuales computadores surgió para liberar al programadorEl
sistema de memoria virtual de los actuales computadores surgió para liberar al programador
de una serie de tareas relacionadas con el uso que los programas debían realizar con la memoria •
La memoria virtual automatiza la gestión entre los dos niveles principales de la jerarquía de memoria: memoria principal y disco. •
El mecanismo más importante que gestiona la memoria virtual es el de la paginación, que surgió de la necesidad de mantener más de un programa residente en memoria cuando la capacidad deésta es inferior a la suma de los tamaños de los programas. •
Se trata de un mecanismo automático en el que el espacio de memoria principal se divide en bloques de tamaño fijo denominados páginas. •
Los programas se dividen también en páginas y residen en el disco.
El sistema se encarga de asignar páginas físicas a los programas en ejecución
Memoria principal
M
M
M
M
M1 M
Disco
M2^ e/s
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
Esquema general del mecanismo de traducción de direcciones
CPU
Memoria virtual
Número de Página Virtual (NPV)
Desplaz. Página (DP)
Dirección Virtual (DV)
-^
Los bits de una DV se consideran divididos en dos campos, el número
de
página
virtual
(NPV)
los
más
significativos,
y
el
desplazamiento dentro de la página
(DP), los menos significativos.
-^
El número de bits del campo DP lo determina el tamaño de página (^
º^ d
b
d
DP
l^
ñ
d
á
)
Tabla de Páginas
Página 0Página 1Página 2Página 3Página 4
control pv 0
pag. física f-
control pv 1
pag. física 2
Reg. Base Tabla de Paginas Sumador
( nº de bits de DP = log
2
tamaño de página
).
-^
El número de bits del campo NPV lo determina el número de páginas virtuales (
nº de bits de NPV = log
2
nº de páginas virtuales
).
-^
Los bits de una DF se consideran divididos también en dos campos, el
número de página física
(
NPF) los más significativos, y
v 2 páginas
Memoria física
Número de Página Física (NPF)
Desplaz. Página (DP)
Dirección Física (DF)
Página 4Página 5
p^
p g
control pv 2
pag. física 1
control pv v-
pag. física 0
control pv v-
pag. en disco
p
,^
p g
f^
(^
)^
g
, y
el
desplazamiento
dentro
de
la
página
(DP),
los
menos
significativos. •^
El número de bits del campo DP de una DF es el mismo que el de una DV puesto que las páginas tienen igual tamaño en MV y MF. •^
El número de bits del campo NPF lo determina el número de
Página 0Página 1Página 2
Página 2
v^ -
Memoria de Disco
pv v-
w 2 páginas
-^
El número de bits del campo NPF lo determina el número de páginas físicas de MF (
nº de bits de NPF = log
2
nº de páginas
físicas
).
-^
Las DVs generadas por la CPU se traducen a DFs con la ayuda de una Tabla de Páginas (TP). •^
Esta
tabla
contiene
en
principio
tantas
entradas
como
páginas
Página f-2Página f-
Página
2v^ - Página 2
v^ -
Esta tabla contiene en principio tantas entradas como páginas existen en la MV, y la posición en la tabla de una
entrada
correspondiente a una página virtual concreta coincide con su NPV. •^
Cada entrada contiene un primer campo de bits de control de los que por el momento haremos referencia tan sólo a uno el bit de presencia (P)
-^
Cada entrada contiene un primer campo de bits de control, de los que por el momento haremos referencia tan sólo a uno, el bit de presencia (P).
-^
Si este bit está activo (por ejemplo a 1) significa que la página virtual correspondiente a esa entrada está presente en la MF, y en este caso el segundo campo de la entrada contiene el correspondiente NPF. •^
Si el bit P está inactivo (por ejemplo a 0) significa que la correspondiente página virtual no está en la MF, sino en el disco.
-^
El acceso a la TP se realiza con la ayuda de un registro base de la tabla de páginas (RBTP) asociado a cada programa en ejecución
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
-^
El
acceso
a
la
TP
se
realiza
con
la
ayuda
de
un
registro
base
de
la
tabla
de
páginas
(RBTP)
asociado
a
cada
programa
en
ejecución
p
(y
p g
g
lectura (R)
lectura (R),
escritura (W)
ejecución (X) (sólo para páginas de códig).
El bit de página modificada (datos) determina su escritura en disco cuando sea sustituida.
Entrada de la tabla de páginas con correspondencia directa P
R W X
Dirección de Página Física
j^
l
l^
it
t
d
d
t^
h
t
31
2 GB t
d
P =
bit de presencia (de la página en memoria física)
RWX = derechos de acceso de lectura, escritura y ejecución
31
= 2 GBytes de MV.
9 = 512 bytes,
se necesitan TPs de 2
22
entradas por proceso.
h
i^
d
l^
l
l^
i^
i^
i^
l^
i
ifi
sto significa que
la TP también está sujeta a paginación, igual que el resto de los programas.• Cuando un programa se ejecuta, al menos una parte de su TP debe estar en
memoria
principal principal
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
Elimina de la TP las entradas que no apuntan a una página de la MF (entradas
páginas de MF).
tabla hash
con una función de dispersión.
se utiliza una técnica de
encadenamiento.• La técnica de dispersión da lugar a cadenas usualmente cortas, con uno o dos elementos.
La técnica de dispersión da lugar a cadenas usualmente cortas, con uno o dos elementos.
Dirección Virtual
Nº Página Virtual
Desplazamiento
Tabla de Dispersión
Tabla de Páginas
Función deDispersión
NPV
NPF
Enlace
NPF
NPV
NPF
Enlace
Dirección Física
Nº Página Física
Desplazamiento
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
•Toda referencia a MV requiere dos accesos a MF: uno para acceder a la TP y otro para la DF
Toda referencia a MV requiere dos accesos a MF: uno para acceder a la TP, y otro para la DF
Duplicar el tiempo de acceso a memoria.
buffer de traducción anticipada
q
q
incluidas en páginas recientemente utilizadas.
p
NPV
DP
Buffer de traducción anticipada (TLB)
RWX
MemoriaAsociativa
RWX
NPV
NPF
Dirección Física
=
Violación de acceso
Fallo de página
NPF
DP
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
N PV
DP
TLB NPV
NPF
TLB
Si
la
longitud
del
campo
de
desplazamiento DP de la DV (igual alDP de la DF) es mayor o igual que los
Fallo de página
campos
de
conjunto
y
p
alabra
del
formato de la DF para la cache, talcomo se muestra en la figura de laderecha, se puede acceder en paralelo
Fallo de página
N PF
DP
Memoria cache
(simultáneamente) al TLB para buscarel NPF y al directorio de la cache parabuscar el bloque,
etiqueta
datos
etiqueta
línea
palabra
Memoria cache
De esta forma será posible realizar en paralelo la búsqueda en el TLB delNPF
que
se
corresponde
con
la
etiqueta, y en el directorio de la cacheel nº de bloque (línea), que junto a lapalabra
dentro
del
bloque,
se
corresponde con
el
DP, del
que se
aciertofallo
MUX
Comparador
dispone
desde
el
instante
que
se
genera
la
DV,
pues
no
requiere
traducción.
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
Una forma de acelerar la conmutación de procesos evitando tener que borrar la TP es extender las entradas con un campo que contiene el identificador de proceso (PID).
N PV
DP
RWX
PID
NPV
NPF
(TLB)
RWX
PID
=
Fallo de página
=
Dirección Física
Violación de acceso
N PF
DP
=
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
Anomalía de Belady
: Aumentando el número de marcos de
página puede aumentar el número de fallos. Por ejemplo, lassiguientes referencias a páginas:1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 danlugar a 9 fallos con 3 marcos y a 10 fallos con 4 marcos
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
g
y
Memoria virtual segmentada
•Proporciona una forma lógica de organizar los programas y datos.
g
g
g
y
que
el
programador
vea
la
memoria
como
múltiples
espacios
de
direcciones o segmentos.• Los segmentos tienen un tamaño variable, dinámico.
g
Puede haber segmentos distintos para varios tipos de programas y datos.
desplazamiento en
Las DVs están constituidas por: número de segmento (NS) y
desplazamiento en
el segmento (DP).• La traducción de DV a DF es análogo al de la memoria virtual paginada •
Tabla de segmentos (TS)
cuyas entradas contienen:
bits de control
dirección física del segmento
dirección física del segmento
longitud del segmento
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
Políticas de ubicación (
placement
) para memorias segmentadas
tamaño
y
dirección inicial
, y se llevan a una lista.
Si no se encuentra un hueco apropiado para el segmento, interviene la política de sustitución.
Mejor ajuste (
best fit
li
d
h
i
d
d
d
i
d
ñ
o
a lista de huecos se mantiene ordenada en orden creciente de tamaño
o
Se ubica el segmento en el primer hueco con capacidad suficiente para albergarlo.
Peor ajuste (
worst fit
o
La lista de huecos se mantiene ordenada en orden decreciente de tamaño o
Se ubica el segmento en el primer hueco con capacidad suficiente para albergarlo.
Primer
ajuste
first fit
Primer
ajuste (
first
fit
o
La lista de huecos se ordena según las direcciones iniciales de los huecos o
Se ubica el segmento en el primer hueco con capacidad suficiente para albergarlo.C
d
t
i^
t^
ti
l
ú
l
d
d
h
o
uando transcurre un cierto tiempo, se acumulan un número elevado de huecos
pequeños próximos a la cabeza de la lista, penalizando las búsquedas. o
Esto se evita adelantando cíclicamente, después de cada búsqueda la posición inicial de la lista inicial
de
la
lista
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
La segmentación presenta propiedades ventajosas para el programador y mala gestión de MF
Los segmentos paginados combinan las ventajas de ambas
i^
i^
i^
i^
l
Tabla de segmentos
RWX
Nº Segmento
Nº Página
DP
Tipo acceso
Dirección Virtual
Tabla de Paginas del Segmento
Reg. Tabla Segmentos
P RWX
L
Dir.Real Seg
P = bit de presenciaL = Longitud del segmento
P
NPF
NPF Dirección Física
DP
ESTRUCTURA DE COMPUTADORES. GRADO EN INGENIERIA DEL SOFTWARE
Ejemplo de sistema de memoria virtual: procesador Pentium II
El Pentium II dispone de un sistema de gestión de memoria virtual con posibilidad de
p
g
p
segmentación y paginación. •
Los dos mecanismos se pueden activar o desactivar con independencia, dando pues lugar a cuatro formas de funcionamiento del sistema de memoria:
Memoria no segmentada no paginada
Memoria paginada no segmentada
Memoria segmentada no paginada
g
p g
Memoria segmentada paginada
Dirección lineal
Dirección lógica (virtual) Segmento
Desplazamiento
Dirección lineal
Dir
Página
Desplaz.
Tabla desegmentos
Dirección
fí i
Directoriode páginas
Tabla depáginas
física
Segmentación
Paginación
Memoriaprincipal
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