1. GESTION DE MEMORIA La memoria es uno de los principales recursos de la computadora, la cual debe de administrarse con mucho cuidado. Aunque actualmente la mayoría de los sistemas de cómputo cuentan con una alta capacidad de memoria, de igual manera las aplicaciones actuales tienen también altos requerimientos de memoria, lo que sigue generando escasez de memoria en los sistemas multitarea y/o multiusuario. Los sistemas de administración de memoria se pueden clasificar en dos tipos: los que desplazan los procesos de la memoria principal al disco y viceversa durante la ejecución y los que no. El propósito principal de una computadora es el de ejecutar programas, estos programas, junto con la información que accesan deben de estar en la memoria principal (al menos parcialmente) durante la ejecución. Para optimizar el uso del CPU y de la memoria, el sistema operativo debe de tener varios procesos a la vez en la memoria principal, para lo cual dispone de varias opciones de administración tanto del procesador como de la memoria. La selección de uno de ellos depende principalmente del diseño del hardware para el sistema. Organización de la memoria En primer lugar tenemos que distinguir claramente entre 3 tipos de memoria: Una: la memoria EEPROM donde almacenaremos el programa que haremos, esta memoria solo podrá ser leida por el pic (el pic va leyendo las instrucciones del programa almacenado en esta memoria y las va ejecutando). Al apagar el pic esta memoria no se borra. Dos: la memoria RAM en cuyos registros se irán almacenando los valores de las variables que nosotros queramos y cuando nosotros queramos (por programa), al apagar el pic esta memoria se borra. Tres: la memoria EEPROM para datos, es un espacio de memoria EEPROM en la que se pueden guardar variables que queremos conservar aunque se apague el pic. No se tratará aquí por ser una memoria mas difícil de emplear. Administrador de la memoria El Administrador De Memoria se refiere a los distintos métodos y operaciones que se encargan de obtener la máxima utilidad de la memoria, organizando los procesos y programas que se ejecutan de manera tal que se aproveche de la mejor manera posible el espacio disponible. Para poder lograrlo, la operación principal que realiza es la de trasladar la información que deberá ser ejecutada por el procesador, a la memoria principal. Actualmente esta administración se conoce como Memoria Virtual ya que no es la memoria física del procesador sino una memoria virtual que la representa. Entre algunas ventajas, esta memoria permite que el sistema cuente con una memoria más extensa teniendo la misma memoria real, con lo que esta se puede utilizar de manera más eficiente. Y por supuesto, que los programas que son utilizados no ocupen lugar innecesario. Las técnicas que existen para la carga de programas en la memoria son: partición fija, que es la división de la memoria libre en varias partes (de igual o distinto tamaño) y la partición dinámica, que son las particiones de la memoria en tamaños que pueden ser variables, según la cantidad de memoria que necesita cada proceso. Entre las principales operaciones que desarrolla la administración de memoria se encuentran la reubicación, que consiste en trasladar procesos activos dentro y fuera e la memoria principal para maximizar la utilización del procesador; la protección, mecanismos que protegen los procesos que se ejecutan de interferencias de otros procesos; uso compartido de códigos y datos, con lo que el mecanismo de protección permite que ciertos procesos de un mismo programa que comparten una tarea tengan memoria en común. Particiones dinámicas re localizables Con este esquema de asignación de memoria, el administrador de memoria relocaliza los programas para reunir los bloques vacios y compactarlos, para hacer un bloque de memoria lo bastante grande para aceptar algunas o todas las tareas en espera de entrar. La compactación no es una tarea sencilla. Primero, todos los programas en memoria se deben relocalizar, de manera que queden contiguos; luego hay que ajustar cada dirección y cada referencia a una dirección en todo programa para tomar en consideración la nueva localización del programa en memoria. erarquía de memoria Se conoce como jerarquía de memoria a la organización piramidal de la memoria en niveles, que tienen los ordenadores. Su objetivo es conseguir el rendimiento de una memoria de gran velocidad al coste de una memoria de baja velocidad, basándose en el principio de cercanía de referencias. Los puntos básicos relacionados con la memoria pueden resumirse en: * Cantidad * Velocidad * Coste La cuestión de la cantidad es simple, cuanto más memoria haya disponible, más podrá utilizarse. La velocidad óptima para la memoria es la velocidad a la que el procesador puede trabajar, de modo que no haya tiempos de espera entre cálculo y cálculo, utilizados para traer operandos o guardar resultados. En suma, el costo de la memoria no debe ser excesivo, para que sea factible construir un equipo accesible. Como puede esperse los tres factores compiten entre sí, por lo que hay que encontrar un equilibrio. Las siguientes afirmaciones son válidas: * A menor tiempo de acceso mayor coste * A mayor capacidad menor coste * A mayor capacidad menor velocidad. Se busca entonces contar con capacidad suficiente de memoria, con una velocidad que sirva para satisfacer la demanda de rendimiento y con un coste que no sea excesivo. Gracias a un principio llamado cercanía de referencias, es factible utilizar una mezcla de los distintos tipos y lograr un rendimiento cercano al de la memoria más rápida. Los niveles que componen la jerarquía de memoria habitualmente son: * Nivel 0: Registros * Nivel 1: Memoria caché * Nivel 2: Memoria principal * Nivel 3: Disco duro (con el mecanismo de memoria virtual) Estrategias Para Administracion De Memoria ADMINISTRACION DE MEMORIA CONCEPTO: La memoria principal puede ser considerada como un arreglo lineal de localidades de almacenamiento de un byte de tamaño. Cada localidad de almacenamiento tiene asignada una dirección que la identifica. POLITICAS Y FILOSOFIA DE LA ADMINISTRACION DE LA MEMORIA. La memoria principal es el lugar donde el CPU lee las instrucciones a ejecutar, asi como algunos datos a emplear. Una de las funciones básicas que debe implementar un SO es la Administración de la Memoria para tener un control sobre los lugares donde están almacenados los procesos y datos que actualmente se están utilizando. MECANISMOS DE ASIGNACION. Un mecanismo de asignación determina la cantidad de bloques (particiones) que serán administrados en la memoria. Existen 3 mecanismos de Asignación: 1. ASIGNACIÓN DE UNA PARTICIÓN. En la memoria se considera la existencia de una sola partición, esto es, se tiene la capacidad de ejecutar un proceso. La partición es toda la memoria, cuya administración corre por cuenta del usuario, o sea, no hay un sistema operativo. 2. ASIGNACIÓN DE DOS PARTICIONES. La memoria se divide en 2 bloques. En una partición se carga el Sistema Operativo y en la otra el programa del usuario. Es el concepto de Sistema Operativo Monousuario. 3. ASIGNACIÓN DE MULTIPLES PARTICIONES. La memoria es dividida en varias particiones una para el Sistema Operativo y las demás para los procesos de usuarios u otras funciones especiales del Sistema Operativo. Este es el concepto teórico de asignación de memoria en los Sistemas Operativos de Multiparticiones y de Multitarea.. ESTRATEGIAS DE ASIGNACIÓN. Una estrategia de asignación de memoria determina el lugar donde será cargado un nuevo proceso en base a un criterio. Las estrategias de asignación son: 1. PRIMER AJUSTE. El Sistema Operativo asigna el primer bloque de memoria libre con espacio suficiente para satisfacer la información. La búsqueda de este bloque es de manera secuencial. 2. MEJOR AJUSTE. El sistema operativo busca el bloque de memoria que represente el menor desperdicio según el requerimiento. 3. PEOR AJUSTE. El sistema operativo asigna el bloque mas grande que encuentre. MÉTODOS DE ASIGNACIÓN DE MEMORIA. Un método de asignación de memoria es la manera mediante la cual el Sistema Operativo lleva el control de la memoria tratando de que sea lo más eficiente posible. Los métodos de asignación más comunes son: SEGMENTACIÓN. Este método consiste en la asignación de bloques de memoria de tamaño variable, llamados segmentos. El tamaño de cada segmento será el requerido según la petición, por ejemplo el tamaño del proceso a cargar. El tamaño máximo para un segmento estará determinado por la capacidad de direccionamiento del hardware de la computadora, esto es, de cuantos bits se dispone para almacenar una dirección. El acceso a cada elemento individual (byte) en la memoria se hace mediante una dirección de memoria que se integra por dos elementos: una dirección de segmento y una de desplazamiento. La combinación (suma) de la dirección de segmento y la de desplazamiento generan la dirección de memoria absoluta a accesar. VALIDACION DEL DIRECCIONAMIENTO (Segmentación) Dado que en cada proceso se manejan direcciones lógicas, el sistema operativo debe obtener una dirección lógica. El sistema operativo debe también asegurarse de que cada dirección lógica esté dentro del rango de direcciones empleado por el proceso. Para esto el sistema operativo implementa la tabla de segmentos como un arreglo de registros base limite como se muestra en la siguiente figura: PAGINACION La paginación consiste en considerar el espacio de direcciones lógicas de cada proceso como un conjunto de bloques de tamaño consistente llamados paginas. Cada dirección lógica manejada para un proceso estará conformada por un par de valores [pagina: desplazamiento]. La memoria física se administra implementando bloques de tamaño consistente denominados ‘marcos’. Obviamente el tamaño de un ‘marco’ debe ser igual al tamaño de una pagina. Por lo general el tamaño designado para los marcos y páginas es pequeño. OPCIONES DE IMPLEMENTACION DE LA TABLA DE PAGINAS 1. - La tabla de paginas se implementa completamente en hardware. VENTAJA: Se obtiene una alta velocidad de acceso a memoria. DESVENTAJA: Resulta problemática cuando la tabla de paginas debe ser grande. 2. - Implementar la tabla de paginas en la memoria principal. VENTAJA: La tabla de paginas puede crecer según se requiera. DESVENTAJA: La velocidad de accesar a memoria es relativamente baja, dado que cada referencia a memoria involucra 2 accesos. DIRECCIONAMIENTO MS-DOS MS-DOS (Segmentación) 8086 (16 Bits) Multiprogramacion Con Particiones Fijas Y Variables !! Multiprogramación con particiones fijas Para poder implementar la multiprogramación, se puede hacer uso de particiones fijas o variables en la memoria. En el caso de las particiones fijas, la memoria se puede organizar dividiéndose en diversas partes, las cuales pueden variar en tamaño. Esta partición la puede hacer el usuario en forma manual, al iniciar una sesión con la máquina. Una vez implementada la partición, hay dos maneras de asignar los procesos a ella. La primera es mediante el uso de una cola única que asigna los procesos a los espacios disponibles de la memoria conforme se vayan desocupando. El tamaño del hueco de memoria disponible es usado para localizar en la cola el primer proceso que quepa en él. Otra forma de asignación es buscar en la cola el proceso de tamaño mayor que se ajuste al hueco, sin embargo hay que tomar en cuenta que tal método discrimina a los procesos más pequeños. Dicho problema podría tener solución si se asigna una partición pequeña en la memoria al momento de hacer la partición inicial, el cual sería exclusivo para procesos pequeños. Esta idea nos lleva a la implementación de otro método para particiones fijas, que es el uso de diferentes colas independientes exclusivas para cierto rango en el tamaño de los procesos. De esta manera al llegar un proceso, éste sería asignado a la cola de tamaño más pequeño que la pueda aceptar. La desventaja en esta organización es que si una de las colas tiene una larga lista de procesos en espera, mientras otra cola esta vacía, el sector de memoria asignado para ese tamaño de procesos estaría desperdiciándose. !! Multiprogramación con particiones variables Este esquema fue originalmente usado por el sistema operativo IBM OS/360 (llamado MFT), el cual ya no está en uso. El sistema operativo lleva una tabla indicando cuáles partes de la memoria están disponibles y cuáles están ocupadas. Inicialmente, toda la memoria está disponible para los procesos de usuario y es considerado como un gran bloque o hueco único de memoria. Cuando llega un proceso que necesita memoria, buscamos un hueco lo suficientemente grande para el proceso. Si encontramos uno, se asigna únicamente el espacio requerido, manteniendo el resto disponible para futuros procesos que requieran de espacio. Cuando a un proceso se le asigna un espacio y es cargado a la memoria principal, puede entonces competir para el uso del CPU. MEMORIA REAL La memoria real o principal es en donde son ejecutados los programas y procesos de una computadora y es el espacio real que existe en memoria para que se ejecuten los procesos. Por lo general esta memoria es de mayor costo que la memoria secundaria, pero el acceso a la información contenida en ella es de más rápido acceso. Solo la memoria cache es más rápida que la principal, pero su costo es a su vez mayor. Administración de la memoria con mapas de bits Este tipo de administración divide la memoria en unidades de asignación, las cuales pueden ser tan pequeñas como unas cuantas palabras o tan grandes como varios kilobytes. A cada unidad de asignación le corresponde un bit en el mapa de bits, el cual toma el valor de 0 si la unidad está libre y 1 si está ocupada (o viceversa). Ejemplo de un mapa de bits para la administración de la memoria. Un mapa de bits es una forma sencilla para llevar un registro de las palabras de la memoria en una cantidad fija de memoria, puesto que el tamaño del mapa sólo depende del tamaño de la memoria y el tamaño de la unidad de asignación. Administración de la memoria con listas ligadas Otra forma de mantener un registro de la memoria es mediante una lista ligada de los segmentos de memoria asignados o libres, en donde un segmento puede ser un proceso o un hueco entre dos procesos. DISTRIBUCION DEL ESPACIO PARA INTERCAMBIO. En algunos sistemas, cuando un proceso esta en la memoria, no se le puede asignar espacio en disco.cuando deba intercambiarse, puede colocarse en alguna otra parte del disco.los algoritmos para administrar el espacio de intercambio son los mismos que se emplean para administrar la memoria principal. En otros sistemas,cuando se crea un proceso,el espacio para intercambio se asigna para el en disco. Cada ves que el proceso se intercambia, siempre se cambia a su espacio asignado, en lugar de dirigirse a un lugar diferente en cada ocacion. Cuando el proceso sale, se desasigna el espacio para el intercambio. La única diferencia es que el espacio en el disco para un proceso debe asignarse como un numero integral de bloques de disco.por lo tanto, un proceso de tamaño 13.5 k que utiliza un disco con bloques de 1k se redondeara a 14k antes de que se busquen las estructuras de datos del espacio en el disco. Memoria virtual Cómo la memoria virtual se mapea a la memoria físicaLa Memoria virtual es un concepto que permite al software usar más memoria principal que la que realmente posee el ordenador. La mayoría de los ordenadores tienen cuatro tipos de memoria: registros en la CPU, la memoria cache (tanto dentro como fuera del CPU), la memoria física (generalmente en forma de RAM, donde la CPU puede escribir y leer directa y razonablemente rápido) y el disco duro que es mucho más lento, pero también más grande y barato. Muchas aplicaciones requieren el acceso a más información (código y datos) que la que se puede mantener en memoria física. Esto es así sobre todo cuando el sistema operativo permite múltiples procesos y aplicaciones ejecutándose simultáneamente. Una solución al problema de necesitar mayor cantidad de memoria de la que se posee consiste en que las aplicaciones mantengan parte de su información en disco, moviéndola a la memoria principal cuando sea necesario. Hay varias formas de hacer esto. Una opción es que la aplicación misma sea responsable de decidir qué información será guardada en cada sitio (segmentación), y de traerla y llevarla. La desventaja de esto, además de la dificultad en el diseño e implementación del programa, es que es muy probable que los intereses sobre la memoria de dos o varios programas generen conflictos entre sí: cada programador podría realizar su diseño teniendo en cuenta que es el único programa ejecutándose en el sistema. La alternativa es usar memoria virtual, donde la combinación entre hardware especial y el sistema operativo hace uso de la memoria principal y la secundaria para hacer parecer que el ordenador tiene mucha más memoria principal (RAM) que la que realmente posee. Este método es invisible a los procesos. La cantidad de memoria máxima que se puede hacer ver que hay tiene que ver con las características del procesador. Por ejemplo, en un sistema de 32 bits, el máximo es 232, lo que da aproximadamente 4000 Megabytes (4 Gigabytes). Todo esto hace el trabajo del programador de aplicaciones mucho más fácil, al poder ignorar completamente la necesidad de mover datos entre los distintos espacios de memoria. Aunque la memoria virtual podría estar implementada por el software del sistema operativo, en la práctica casi siempre se usa una combinación de hardware y software, dado el esfuerzo extra que implicaría para el procesador. Paginacion Memoria Virtual En sistemas operativos de computadoras, los sistemas de paginación de memoria dividen los programas en pequeñas partes o páginas. Del mismo modo, la memoria es dividida en trozos del mismo tamaño que las páginas llamados marcos de página. De esta forma, la cantidad de memoria desperdiciada por un proceso es el final de su última página, lo que minimiza la fragmentación interna y evita la externa. En un momento cualquiera, la memoria se encuentra ocupada con páginas de diferentes procesos, mientras que algunos marcos están disponibles para su uso. El sistema operativo mantiene una lista de estos últimos marcos, y una tabla por cada proceso, donde consta en qué marco se encuentra cada página del proceso. De esta forma, las páginas de un proceso pueden no estar contiguamente ubicadas en memoria, y pueden intercalarse con las páginas de otros procesos. En la tabla de páginas de un proceso, se encuentra la ubicación del marco que contiene a cada una de sus páginas. Las direcciones lógicas ahora se forman como un número de página y de un desplazamiento dentro de esa página. El número de página es usado como un índice dentro de la tabla de páginas, y una vez obtenida la dirección real del marco de memoria, se utiliza el desplazamiento para componer la dirección real. Este proceso es realizado en el hardware del computador. De esta forma, cuando un proceso es cargado en memoria, se cargan todas sus páginas en marcos libres y se completa su tabla de páginas. Paginación en memoria virtual El único inconveniente del sistema de paginación pura es que todas las páginas de un proceso deben estar en memoria para que pueda ejecutar. Esto hace que si los programas son de tamaño considerable, no puedan cargarse muchos a la vez, disminuyendo el grado de multiprogramación del sistema. Para evitar esto, y aprovechando el principio de cercanía de referencias donde se puede esperar que un programa trabaje con un conjunto cercano de referencias a memoria (es decir con un conjunto residente más pequeño que el total de sus páginas), se permitirá que algunas páginas del proceso sean guardadas en un espacio de intercambio (en memoria secundaria) mientras no se necesiten. ALGORITMOS DE SUSTITUCIÓN DE PÁGINAS Cuando ocurre una falla de página, el sistema operativo tiene que escoger la página que sacará de la memoria para que pueda entrar la nueva página. Si la página que se eliminará fue modificada mientras estaba en la memoria, se debe reescribir en el disco a fin de actualizar la copia del disco, pero si no fue así (p. ej., si la página contenía texto de programa), la copia en disco ya estará actualizada y no será necesario reescribirla. La nueva página simplemente sobreescribe la que está siendo desalojada. Si bien sería posible escoger una página al azar para ser desalojada cuando ocurre una falla de página, el rendimiento del sistema es mucho mejor si se escoge una página que no se usa mucho. Si se elimina una página de mucho uso, probablemente tendrá que traerse pronto a la memoria otra vez, aumentando el gasto extra. Se ha trabajado mucho sobre el tema de los algoritmos de reemplazo de páginas, tanto teórica como experimentalmente. A continuación describimos algunos de los algoritmos más importantes. El algoritmo de sustitución de páginas óptimo El mejor algoritmo de reemplazo de páginas posible es fácil de describir pero imposible de implementar. En el momento en que ocurre una falla de páginas, algún conjunto de páginas está en la memoria. A una de estas páginas se hará referencia en la siguiente instrucción (la página que contiene esa instrucción). Otras páginas podrían no necesitarse sino hasta 10, 100 o tal vez 1000 instrucciones después. Cada página puede rotularse con el número de instrucciones que se ejecutarán antes de que se haga referencia a esa página. ASPECTOS DE DISEÑO DE LOS SISTEMAS CON PAGINACIÓN En las secciones anteriores hemos explicado cómo funciona la paginación y hemos presentado algunos de los algoritmos de reemplazo de páginas básicos. Sin embargo, no basta con conocer los aspectos mecánicos del funcionamiento. Para diseñar un sistema, necesitamos saber mucho más si queremos lograr que funcione bien. La diferencia es similar a la que existe entre saber cómo se mueven la torre, el caballo, el alfil y las demás piezas de ajedrez, y ser un buen jugador En las siguientes secciones examinaremos otros aspectos que los diseñadores de sistemas operad deben considerar detenidamente si quieren obtener un buen rendimiento de un sistema de paginación Liberacion De Paginas Un proceso usuario puede emitir una “liberación voluntaria de página” para liberar el marco de página cuando ya no necesitara esa página [7, Deitel]. Se puede eliminar el “desperdicio” y acelerar la ejecución. El inconveniente es que la incorporación de mandatos de liberación de páginas dentro de los programas de usuarios puede ser peligroso y retrasar el desarrollo de aplicaciones. “Los compiladores y S. O. deberían detectar automáticamente situaciones de liberación de página mucho antes de lo que es posible con estrategias de conjuntos de trabajo”.