Segmentación Administración de memoria segmentada Paginación y sistemas combinados

1. 1
Tema 11: Segmentación y
Paginación de la Memoria
Sistemas Operativos
(Tema 14 en apuntes prof. Rovayo)

2. 2
Índice:
1. Segmentación
2. Administración de memoria segmentada
3. Paginación
4. Administración de memoria paginada
5. Sistemas combinados
2
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria

3. 3
Índice:
1. Segmentación
2. Administración de memoria segmentada
3. Paginación
4. Administración de memoria paginada
5. Sistemas combinados
3
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria

4. 4
4
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1. Segmentación
 Espacio lógico de direcciones es bidimensional
 Direcciones lógicas constan de:
 Indicador de segmento
 Desplazamiento
 Segmento = trozo de memoria consecutiva
 Idea: dividir programa en trozos de memoria
independientes:
 Código
 Pila
 Datos
 ….
desplazamiento
ind. seg.
Dirección Lógica
4
00…0
FF…F
Espacio Físico
de Direcciones

5. 5
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1. Segmentación
1. Traducción de direcciones segmentadas
2. Protección
3. Superposición de segmentos
4. Formas de usar los descriptores

6. 6
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1. Segmentación
1. Traducción de direcciones segmentadas
2. Protección
3. Superposición de segmentos
4. Formas de usar los descriptores

7. 7
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.1 Traducción de direcciones segmentadas
desplazamiento
Dirección Lógica
00…0
FF…F
Segmento 2
Espacio Físico
de Direcciones
Segmento 1
Segmento 3
base tamaño …
…
…
…
… … …
ind. seg.
Tabla de descriptores de Segmentos
0
1
2
d<t +
ERROR
0A00
6F10
B100
4000
1000
2000
NO SI

8. 8
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1. Segmentación
1. Traducción de direcciones segmentadas
2. Protección
3. Superposición de segmentos
4. Formas de usar los descriptores

9. 9
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.2 Protección
desplazamiento
Dirección Lógica
00…0
FF…F
Segmento 2
Espacio Físico
de Direcciones
Segmento 1
Segmento 3
base tamaño r w x …
0A00 1000 1 0 0 …
6F10 4000 1 1 0 …
B190 2000 0 0 1 …
… … … …
ind. seg.
Tabla de descriptores de Segmentos
0
1
2
d<t
ERROR
NO SI
¿válido?
NO
SI
ERROR

10. 10
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1. Segmentación
1. Traducción de direcciones segmentadas
2. Protección
3. Superposición de segmentos
4. Formas de usar los descriptores

11. 11
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.3 Superposicion de segmentos
00…0
FF…F
base tamaño r w x …
0
1
2
 Varios segmentos pueden estar parcial o totalmente
solapados en memoria
 Una dirección física se puede corresponder con
múltiples direcciones lógicas
3
1000 4000 1 0 0
1 1 0
2000 4000
…
…
1000
2000
4000 5000 1 1 0 …
4000
4000 5000 1 0 0 …
1 0 0
1 1 0
1 1 0
A000
A000

12. 12
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1. Segmentación
1. Traducción de direcciones segmentadas
2. Protección
3. Superposición de segmentos
4. Formas de usar los descriptores

13. 13
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.4 Formas de usar los descriptores
 ¿Cuántos segmentos pueden haber en el sistema?
 Cada proceso debe poder crear un número suficiente de
segmentos
 Intel Pentium: 16.383 segmentos
 ¡Tabla de segmentos demasiado grande para MMU!
 Tabla en memoria y MMU contiene su dirección
00…0
base tamaño r w x …
BASE
LIMITE
BASE LOCAL
LIMITE LOCAL

14. 14
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.4 Formas de usar los descriptores
 PROBLEMA: Tiempo de acceso se multiplica por dos
 Primer acceso: tabla de descriptores
 Segundo acceso: dirección efectiva
 Soluciones (no excluyentes):
 Uso de registros descriptores de segmento en MMU
 Uso de memoria asociativa

15. 15
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.4 Formas de usar los descriptores
Registros descriptores
 En MMU: varios registros capaces de contener un
descriptor
 Se puede copiar en ellos los descriptores que se
vayan a usar en el futuro inmediato
 Dos tipos de registros:
 de propósito general
 especializados

16. 16
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.4 Formas de usar los descriptores
Registros descriptores de propósito general
 MMU contiene un conjunto de registros sobre los que
cargar próximos descriptores a usar, y…
 Dos tipos de direcciones:
 Las que hacen referencia a un descriptor de tabla en memoria
• necesitan más bits para hacer referencia al descriptor
 Las que hacen referencia a un descriptor en MMU
• necesitan menos bits para referir al descriptor
BASE TAM PERM
0
BASE TAM PERM
1
BASE TAM PERM
2
BASE TAM PERM
3
BASE TAM PERM
4
…
…
…
…

17. 17
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.4 Formas de usar los descriptores
Registros descriptores especializados
 MMU contiene registros capaces de albergar un
descriptor, y
 Dos tipos de direcciones:
 Las que hacen referencia a un descriptor de tabla en memoria
 Las que NO hacen referencia a ningún descriptor
• Emplean un descriptor de MMU, según el tipo de instrucción
BASE TAM PERM
DS
BASE TAM PERM
SS
BASE TAM PERM
CS

18. 18
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.4 Formas de usar los descriptores
Descriptores en memoria asociativa
 MMU contiene una memoria asociativa indexada por nº
de descriptor
 Para cada acceso:
 Se busca en memoria asociativa el nº de descriptor
• Si está: se emplea el descriptor guardado en mem. asociativa
• Si no está: se carga (es necesario acceso a tabla en memoria)
– Si se llena memoria asociativa: reemplazo
0A00 1000 1 0 0 …
6F10 4000 1 1 0 …
B190 2000 0 0 1 …
… … … …
5
2
14
…
desplazamiento
2

19. 19
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
1.4 Formas de usar los descriptores
Descriptores en memoria asociativa
 Memoria asociativa es transparente
 ¡Se puede usar en conjunción con registros en MMU!

20. 20
Índice:
1. Segmentación
2. Administración de memoria segmentada
3. Paginación
4. Administración de memoria paginada
5. Sistemas combinados
20
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria

21. 21
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración de memoria segmentada
 Gestión: particiones variables
 Mapas de bits
 Listas de control
 Segmentación proporciona posibilidades adicionales:
 Crecimiento de los procesos
 Compartición de segmentos
 Carga de segmentos a petición
 Enlace dinámico

22. 22
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración memoria segmentada
Crecimiento de los procesos
 Dos formas de crecimiento:
 Asignando nuevos segmentos al proceso
 Creciendo algún segmento asignado
base tamaño r w x …
1 1 0 …
2000 1000 0 0 1 …
… … … …
00…0
1000
2000
3000
4800
Crecible
True
False
…
1800
0
0
1
1800
3000 1000
1000

23. 23
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración memoria segmentada
Compartición de segmentos
 Objetivos:
 Optimización uso de memoria
 Compartición de información
 Ejemplo 1: si varios usuarios ejecutan un mismo
programa…
 Pueden compartir código y constantes del programa: ¡sólo se
cargan una vez!
 Si código usa librerías comunes: pueden compartirse
segmentos de librerías con otros programas
 Ejemplo 2: procesos que comparten datos
 Datos en segmento compartido
 Gestión: tabla de segmentos compartidos

24. 24
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración memoria segmentada
Carga de segmentos a petición
 Algunas MMU disponen de bit “presente” en descriptor:
 Segmentos no presentes están definidos, pero no están en
memoria
 Acceso a segmento no presente=fallo de segmento
 Ante un fallo de segmento, SO es responsable de cargar
segmento
base tamaño r w x P
800 1 1 0
2000 1000 0 0 1 1
… … … …
00…0
3000
2000
400
0
0
1
3000
- 0
1

25. 25
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración memoria segmentada
Carga de segmentos a petición
 Aplicación: cargar segmentos cuando son referidos por
primera vez
 En archivo ejecutable hay información sobre segmentos
definidos por proceso:
• Identificación y localización en archivo
• Tipo
• Punto de entrada
• Tamaño
• Protección
 Al cargar ejecutable, cargador sólo define segmentos
 Al intentar ejecutar primera instrucción: primer fallo de
segmento
• SO carga segmentos conforme van siendo referidos

26. 26
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración memoria segmentada
Carga de segmentos a petición
 Si memoria se llena: reemplazo
 Podemos ejecutar procesos que usen más memoria de la que
físicamente disponemos (Memoria Virtual)
S1
00…0
FF…F
S2
S3
S4
S5
S6
S7

27. 27
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración memoria segmentada
Enlace dinámico
 Enlace= construcción de ejecutable a partir de ficheros
compilados (ficheros objeto)
 Objetivo: reducir trabajo de montador de enlaces
 Tipos de enlace dinámico:
 Durante la carga
 En tiempo de ejecución
 Enlace durante la carga:
 En archivo ejecutable hay nombres simbólicos para
segmentos y objetos:
CALL [librería:rutina]
 Cargador sustituye nombres por descriptores y direcciones
reales

28. 28
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
2. Administración memoria segmentada
Enlace dinámico
 Enlace dinámico durante la ejecución
 (Ejemplo: MULTICS)
00…0
…
call
…
[100]
1 300
100
300 “seg:func”
0 16:70
…
70 func: …
…
seg= 16

29. 29
Índice:
1. Segmentación
2. Administración de memoria segmentada
3. Paginación
4. Administración de memoria paginada
5. Sistemas combinados
29
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria

30. 30
30
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3. Paginación
 Espacio lógico de direcciones lineal
 Dividido de forma transparente en trozos de igual
tamaño (páginas)
 Traductor divide las direcciones lógicas en
 nº de página
 desplazamiento
00…0
FF…F
Espacio Físico
de Direcciones
desplazamiento
Página
Dirección Lógica
desplazamiento
Marco
Dirección Física
Traductor Dinámico
de Páginas
0
k
k+1
n
0
k
k+1
n
00…0
FF…F
Espacio Lógico
de Direcciones
…
} 2k

31. 31
31
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3. Paginación
1. Traducción de direcciones paginadas
2. Organización de la tabla de páginas

32. 32
32
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3. Paginación
1. Traducción de direcciones paginadas
2. Organización de la tabla de páginas

33. 33
33
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.1 Traducción de direcciones paginadas
 La traducción se lleva a cabo mediante una tabla de
páginas
 Tabla de páginas se indexa por nº página y
proporciona nº de marco
desplazamiento
2
Dirección Lógica
desplazamiento
12
Dirección Física
Marco P …
8 1 …
1204 1 …
12 1 …
- 0 …
… … …
0
1
2
3

34. 34
34
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3. Paginación
1. Traducción de direcciones paginadas
2. Organización de la tabla de páginas

35. 35
35
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
 Tamaño de la tabla de páginas: determinado por…
 tamaño del espacio de direcciones
 tamaño de la página
 Si espacio de direcciones = 4Gb y tamaño de página
= 4K: ¡1M entradas!
 Posibilidades:
 Tabla de páginas en el traductor
 Tabla de páginas en memoria
 Tabla de páginas multinivel
 Tablas de páginas para todo el sistema
 Traductores sin tabla de páginas

36. 36
36
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
Tabla de páginas en el traductor
 Sólo es viable si hay pocas páginas
 En MMU: conjunto de registros indexados por nº de
página
 Inconvenientes:
 SO debe sustituir tabla de páginas cada vez que…
• Se conmuta de procesos
• Se transfiere control al SO

37. 37
37
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
Tabla de páginas en memoria
 La tabla se saca del traductor y almacena en
memoria
 Traductor sólo contiene
 Dirección de primera entrada
 Tamaño de la tabla
 Inconvenientes:
 Cada acceso a memoria: implica dos accesos
• Uno a tabla de páginas
• Otro a la dirección efectiva
 Solución: memoria asociativa

38. 38
38
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
Tabla de páginas multinivel
 Idea: paginar la tabla de páginas
 Facilita manipulación y almacenamiento de la tabla
 Ejemplo a dos niveles:
desplazamiento
pagina
Dirección Lógica
DP NP
Marco P …
8 1 …
1204 1 …
12 1 …
- 0 …
… …
0
1
2
3
Dirección
0AFF00
100700
108800
FFA100
…
0
1
2
3
Directorio
Tabla de páginas
desplazamiento
marco
Dirección Física

39. 39
39
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
Tabla de páginas multinivel
 Ventajas:
 Tabla de página no tiene por qué ser ocupar direcciones
consecutivas
 Tabla de página no tiene por qué estar cargada completa en
memoria
 Inconvenientes:
 Tiempo de acceso se multiplica por tres
 Solución: memoria asociativa

40. 40
40
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
Tabla de páginas para todo el sistema
 Son también multinivel
 MMU tiene dirección de una tabla que tiene una
entrada por proceso y contiene dirección de tabla de
páginas/directorio de dicho proceso:
desplazamiento
pagina
Marco P …
8 1 …
1204 1 …
12 1 …
- 0 …
… …
0
1
2
3
Dirección
0AFF00
100700
108800
FFA100
…
0
1
2
3
Tabla de procesos
Tabla de páginas
desplazamiento
marco
Dirección Física
dir t.procs.
PID

41. 41
41
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
Tabla de páginas para todo el sistema
 Conmutar de tabla de proceso: cambiar PID
 Inconvenientes:
 Tiempo de acceso se multiplica por tres
 Solución:
 Memoria asociativa, indexada por PID + Nº de página
0A00 …
6F10 …
B190 …
… …
4 5
4 2
5 2
…
desplazamiento
PID:4 2

42. 42
42
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
3.2 Organización de la tabla de páginas
Traductores sin tabla de páginas
 Hardware no impone estructura de tabla de páginas
 Hardware sólo dispone de memoria asociativa
 Si no se encuentra página en memoria asociativa:
excepción
 SO es responsable de:
 determinar asociación entre nº de página y nº de marco
 Actualizar la memoria asociativa
 Ventajas:
 Flexibilidad: hardware no impone la organización de la TP
 Traductor se simplifica notablemente
 Parte del ahorro en hardware del traductor se puede invertir
en aumentar el tamaño de la memoria asociativa

43. 43
Índice:
1. Segmentación
2. Administración de memoria segmentada
3. Paginación
4. Administración de memoria paginada
5. Sistemas combinados
43
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria

44. 44
44
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de memoria paginada
 Gestión: particiones variables, con importantes
simplificaciones:
 Todos los marcos son iguales→ no hay que elegir
 No importa que marcos libres no estén consecutivos
 De especial interés:
 Elementos de administración
 Entrada/Salida y paginación
 Carga de páginas a petición

45. 45
45
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Elementos de administración
 Tabla de asignación de marcos a procesos
 Una entrada por marco
 En cada entrada:
• PID de proceso, si marco asignado
• 0, si marco libre
 Ayuda: conservar la posición de la primera/próxima entrada
libre
Proceso
PID1
PID1
PID2
Libre
PID1
…
0
1
2
3
Siguiente libre
4

46. 46
46
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Elementos de administración
 Listas de marcos asignados a procesos
 Nº de marcos es fijo: listas implementadas mediante tabla
 En cada entrada (una por marco):
• Siguiente marco en la lista
• -1, si marco es el último
 En PCB: índices del primer y último marco asignados a
proceso
2
0
3
6
PID1
7
-1
…
0
1
2
3
primero
4
5
6
último
PCB proceso 1
primero
Libres
Proceso 1: marcos 0, 2, 3, y 6
Libres: demás marcos

47. 47
47
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Entrada/Salida y paginación
 Problema: buffers de lectura o escritura
 Ocupan direcciones lógicas consecutivas
 Pero las direcciones físicas son distintas, incluso no
consecutivas
00…0
FF…F
Vamos a
hacer una
escriturita en
disco de estos
datos que
tengo yo
aquí…
00…0
FF…F

48. 48
48
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Entrada/Salida y paginación
Soluciones:
 Dado que entrada/salida es responsabilidad de SO,
éste traduce y usa direcciones físicas
 ¿Y si el buffer ni siquiera ha quedado contiguo?
 SO programa varias operaciones, una por cada trozo
de buffer en espacio físico
 Puede ser problemático para dispositivos de bloque
 Usar buffer contiguo en espacio de SO
 Que el DMA vea direcciones lógicas
 Será el caso si DMA y MMU integrados en CPU

49. 49
49
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Carga de páginas a petición
 Mediante bit de página presente: las páginas se
pueden cargar cuando son referidas por primera vez
 Para cargar una página, sólo hay que asignarle un
marco libre
 Si no quedan marcos libres: memoria virtual
 Elegir un marco que contenga una página que supongamos
no vaya a hacer falta en futuro inmediato
 Sustituir dicha página por la recién referida
 ¿Memoria virtual segmentada o paginada?
 Comparemos por…
• Tamaño de las transferencias
• Complejidad de administración
• Operaciones de entrada/salida

50. 50
50
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Carga de páginas a petición
MV segmentada vs paginada: tamaño de transferencias
 Paginación:
 Todas las transferencias de página del mismo tamaño
(típicamente en torno a 4K)
 Segmentación:
 Distinto tamaño cada segmento
 Posibilidad de segmentos muy grandes

51. 51
51
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Carga de páginas a petición
MV segmentada vs paginada: complejidad administración
 Paginación:
 Todos los marcos son iguales → cualquiera vale para cualquier
página
 Segmentación:
 Hay que cargar el segmento en un hueco de tamaño suficiente
 Fragmentación del espacio libre

52. 52
52
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
4. Administración de la memoria paginada
Carga de páginas a petición
MV segmentada vs paginada: operaciones entrada/salida
 Problema: si hay memoria virtual, es posible que el
segmento/página destino/fuente de una operación no
esté presente
 Posible solución:
 Bloquear en memoria las páginas/segmentos que contienen
los buffers de E/S
 Paginación:
 Las páginas bloqueadas son del orden de varios Kilobytes
 Segmentación:
 ¿Y si buffer está en un segmento de datos muy grande?

53. 53
Índice:
1. Segmentación
2. Administración de memoria segmentada
3. Paginación
4. Administración de memoria paginada
5. Sistemas combinados
53
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria

54. 54
54
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
5. Sistemas combinados
 Segmentación: es útil para los procesos
 Organización de datos, código…
 Mecanismos de protección
 Compartición de datos y código
 Optimización del espacio ocupado
 Paginación: es útil para el sistema operativo
 Memoria virtual
 Dispersión en memoria
 ¿Segmentación o paginación?
 ¡Ambos! Sistemas combinados:
 Segmentación paginada
 Segmentación y paginación independientes

55. 55
55
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
5. Sistemas combinados
Segmentación paginada
 Cada segmento dividido en páginas
 En descriptor, en lugar de dirección base de segmento:
dirección de tabla de páginas del segmento.
desplazamiento
indicador página
Dirección Lógica
tabla tamaño r w x …
7FFF 800 1 1 0 …
2000 1000 0 0 1 …
… … … …
Marco P …
8 1 …
1204 1 …
12 1 …
- 0 …
… …
Tabla de segmentos
Tabla de páginas
desplazamiento
marco
Dirección Física

56. 56
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
5. Sistemas combinados
Segmentación paginada
 Inconvenientes:
 Cada segmento debe empezar y acabar en frontera de página
 Tamaño del segmento: múltiplo del tamaño de página
Segmentación y paginación independientes
 La paginación es transparente
 ¿y si pusiéramos un sistema paginado bajo un sistema
segmentado?

57. 57
Tema
11:
Segmentación
y
paginación
de
la
memoria
5. Sistemas combinados
Segmentación y paginación independientes
 Ejemplo: arquitectura IA32
desplazamiento
selector
Dirección Lógica Segmentada
0
31
Tabla de descriptores de segmentos
dirección intermedia
0
31
¿PG?
+
SI
NO
dirección física
0
31
directorio pagina desplazamiento
12
0
20
31
Directorio de páginas
Tabla de páginas
marco desplazamiento
12
31 0

58. 58