Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành - Chương 3: Quản lý bộ nhớ - Phạm Đăng Hải

Nội dung text: Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành - Chương 3: Quản lý bộ nhớ - Phạm Đăng Hải

1. Hệ điều hành Notes NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH Phạm Đăng Hải haipd@soict.hust.edu.vn Bộ môn Khoa học Máy tính Viện Công nghệ Thông tin & Truyền Thông 1 / 98 Ngày 14 tháng 2 năm 2020 Chương 3: Quản lý bộ nhớ Notes Chương 3 Quản lý bộ nhớ 2 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ Notes Giới thiệu Mục đích của hệ thống máy tính: thực hiện chương trình Chương trình và dữ liệu (toàn bộ hoặc một phần) phải nằm trong bộ nhớ chính trong khi thực hiện Byte tích cực:Những byte nội dung đang được thực hiện tại thời điểm quan sát: Phần chương trình chưa đưa vào bộ nhớ chính được lưu trên bộ nhớ thứ cấp (VD: đĩa cứng)⇒ Bộ nhớ ảo Cho phép lập trình viên không lo lắng về giới hạn bộ nhớ vật lý Để s/d CPU hiệu quả và tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống: Cần luân chuyển CPU thường xuyên giữa các tiến trình Điều phối CPU (Phần 3- Chương 2) Cần nhiều tiến trình sẵn sàng trong bộ nhớ Hệ số song song của hệ thống: Số tiến trình đồng thời tồn tại trong hệ thống Tồn tại nhiều sơ đồ quản lý bộ nhớ khác nhau Nhiều sơ đồ đòi hỏi trợ giúp từ phần cứng Thiết kế phần cứng có thể được tích hợp chặt chẽ với HDH 3 / 98
2. Chương 3: Quản lý bộ nhớ Notes Nội dung chính 1 Tổng quan 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ 3 Bộ nhớ ảo 4 Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel 4 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan Notes Nội dung chính 1 Tổng quan 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ 3 Bộ nhớ ảo 4 Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel 5 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes 1 Tổng quan Ví dụ Bộ nhớ và chương trình Liên kết địa chỉ Các cấu trúc chương trình 6 / 98
3. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes 1 Demo: Chu kỳ thực hiện lệnh 2 Tạo file thực thi dùng ngôn ngữ máy 3 Tạo file thực thi từ nhiều modul 7 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes Ví dụ 1: Tạo chương trình thực thi dùng ngôn ngữ máy #include char buf[19]={ 0xEB,0x08,0x48,0x65,0x6C, 0x6C,0x6F,0x21,0x24,0x90, 0xB4,0x09,0xBA,0x02,0x01,0xCD,0x21,0xCD,0x20}; int main(int argc, char *argv[]){ int i; FILE * f = fopen("Toto.com","w+"); for(i= 0; i < 19;i++) fprintf(f,"%c",buf[i]); fclose(f); return 0; } 8 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes Ví dụ 1: Kết quả File toto.com có kích thước 19 bytes Nội dung các câu lệnh trong chương trình thực thi toto.com? 9 / 98
4. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes Ví dụ 1: Nội dung file Dùng debug xem nội dung file và dịch ngược ra hợp ngữ 10 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes Ví dụ 1: Thực hiện file toto.com Nội dung file Toto.com (19 bytes) EB 08 48 65 6C 6C 6F 21 24 90 B4 09 BA 02 01 CD 21 CD 20 CS:0000 PSP: Program Hello! Dịch ngược Segment Prefix terminated JMP 010A CS:0100 JMP 010A ⇐CS:IP DB ’Hello!$’ CS:0102 ’Hello!$’ NOP CS:0109 NOP MOV AH, 9 CS:010A MOV AH, 9 ⇐CS:IP MOV DX, 0102 CS:010C MOV DX, 0102 ⇐CS:IP INT 21 CS:010F INT 21 ⇐CS:IP INT 20 CS:0111 INT 20 ⇐CS:IP CS:0113 Khi thực hiện, nạp toto.com vào bộ nhớ tại địa chỉ CS:0100 Các thanh ghi đoạn CS, ES, DS,SS cùng trỏ tới PSP Thanh ghi IP có giá trị 100 (CS:IP trỏ đến lệnh đầu tiên) 11 / 98 SP trỏ tới cuối đoạn; Các thanh ghi thông dụng bị xóa (0) Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes Ví dụ 2: Tạo file thực thi từ nhiều modul Toto project file main.c file M1.c #include int y = 10; extern int x, y; extern void toto(); file M2.c int main(int argc, char *argv[]){ int x; toto(); extern int y; printf("KQ: %d \n",x * y); void toto(){ return 0; x = 10 * y; } } Ket qua KQ: 1000 12 / 98
5. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.1 Ví dụ Notes Ví dụ 2: Quá trình xử lý toto project Thư viện Header [printf] int y=10; [y←10] [y←10] M1.c M1.o [x] extern int x,y; x extern void toto(); y [printf] int main(){ Compiler Link - toto() (tcc -c) toto (tlink) - [toto] printf() printf x } main.o y main.c toto int x; [x] printf extern int y; y x toto() [toto] C:\>tcc - c -I\Tc\Include main.c m1.c m2.c y M2.c M2.o C:\>tlink \Tc\Lib\c0s +m1+m2+main, main.exe , , \Tc\Lib\toto.execs.lib 13 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.2 Bộ nhớ và chương trình Notes 1 Tổng quan Ví dụ Bộ nhớ và chương trình Liên kết địa chỉ Các cấu trúc chương trình 14 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.2 Bộ nhớ và chương trình Notes Phân cấp bộ nhớ Bộ nhớ là tài nguyên quan trọng của hệ thống Chương trình phải nằm trong bộ nhớ trong để thực hiện Bộ nhớ được đặc trưng bởi kích thước và tốc độ truy nhập Bộ nhớ được phân cấp theo tốc độ truy nhập Loại bộ nhớ Kích thước Tốc độ Thanh ghi (Registers) bytes Tốc độ CPU(ηs) Cache trên VXL Kilo Bytes 10 nano seconds Cache mức 2 KiloByte-MegaByte 100 nanoseconds Bộ nhớ chính MegaByte-GigaByte Micro-seconds Bộ nhớ lưu trữ (Disk) GigaByte-Terabytes Mili-Seconds Băng từ, đĩa quang Không giới hạn 10 Seconds 15 / 98
6. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.2 Bộ nhớ và chương trình Notes Bộ nhớ chính 00000 00001 Memory Dùng lưu trữ dữ liệu và chương trình Là mảng các ô nhớ kiểu bytes, words FFFFE Mỗi ô nhớ có một địa chỉ riêng FFFFF Địa chỉ vật lý: địa chỉ x/hiện ở chân VXL 16 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.2 Bộ nhớ và chương trình Notes Chương trình Tồn tại trên thiết bị lưu trữ ngoài Là các file nhị phân thực thi được Vùng tham số file Lệnh máy (mã nhị phân), Vùng dữ liệu (biến toàn cục), Phải được đưa vào bộ nhớ trong và được đặt trong một tiến trình để thực hiện (tiến trình thực hiện chương trình) Hàng đợi vào (input queue) Tập các tiến trình ở bộ nhớ ngoài (thông thường disk) Đợi để được đưa vào bộ nhớ 17 / 98 trong và thực hiên Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.2 Bộ nhớ và chương trình Notes Thực hiện chương trình Nạp chương trình vào bộ nhớ Đọc và phân tích (dịch) file thực thi (VD file *.com, file *.exe) Xin vùng nhớ để nạp chương trình từ file trên đĩa Thiết lập các tham số, các thanh ghi tới giá trị thích hợp Thực thi chương trình CPU lấy các lệnh trong bộ nhớ tại vị trí được xác định bởi bộ đếm chương trình (Program counter) Cặp thanh ghi CS:IP với VXL họ Intel (Ví dụ : 80x86) CPU giải mã lệnh Có thể lấy thêm toán hạng từ bộ nhớ Thực hiện lệnh với toán hạng Nếu cần thiết, lưu kết quả vào bộ nhớ tại một địa chỉ xác định Thực hiện xong Giải phóng vùng không gian nhớ dành cho chương trình Vấn đề Chương trình có thể được nạp vào vị trí bất kỳ trong bộ nhớ Khi thực hiện chương trình sinh ra chuỗi địa chỉ bộ nhớ Truy nhập địa chỉ bộ nhớ như thế nào? 18 / 98
7. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.3 Liên kết địa chỉ Notes 1 Tổng quan Ví dụ Bộ nhớ và chương trình Liên kết địa chỉ Các cấu trúc chương trình 19 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.3 Liên kết địa chỉ Notes Các bước xử lý chương trình ứng dụng Chương trình Các modul đối Thư viện hệ nguồn tượng khác thống được nạp động inktđộng kết Liên Modul đối Dịch Liên tượng kết Modul thực Chương trình Nạp hiện trong bộ nhớ Thư viện hệ thống Bộ nhớ trong 20 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.3 Liên kết địa chỉ Notes Các kiểu địa chỉ Địa chỉ biểu tượng (symbolic) Là tên của đối tượng trong chương trình nguồn Ví du: counter, x, y, Địa chỉ tương đối Sinh ra từ địa chỉ biểu tượng trong giai đoạn dịch (compiler) Là vị trí tương đối của đối tượng kể từ đầu modul Byte thứ 10 kể từ đầu modul EB08 ⇒ JMP +08: Nhảy tới vị trí cách vị trí hiện tại 8 ô Địa chỉ tuyệt đối Sinh ra từ địa chỉ tương đối trong giai đoạn nạp chương trình thực thi vào bộ nhớ để thực hiện Với PC: địa chỉ tương đối → Seg * 16+Ofs Là địa chỉ của đối tượng trong bộ nhớ vật lý-địa chỉ vật lý Ví du: JMP 010A⇒ Nhảy tới ô nhớ có vị trí 010Ah tại cùng đoạn mã lệnh (CS) Nếu CS=1555h, sẽ đi tới vị trí: 1555h*10h+010Ah =1560Ah 21 / 98
8. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.3 Liên kết địa chỉ Notes Xác định địa chỉ Xác định địa chỉ câu lệnh và dữ liệu trong bộ nhớ có thể thực hiện tại các giai đoạn khác nhau khi xử lý chương trình ứng dung Giai đoạn dịch: Sử dụng khi biết chương trình sẽ nằm ở đâu trong bộ nhớ Khi dịch sẽ sinh ra mã (địa chỉ ) tuyệt đối Phải dịch lại khi vị trí bắt đầu thay đổi Thời điểm nạp: Sử dụng khi không biết c/trình sẽ nằm ở đâu trong bộ nhớ Các đối tượng được dịch ra sẽ mang địa chỉ tương đối Xác định địa chỉ được hoãn lại tới khi khi nạp chương trình vào bộ nhớ Trong khi thực hiện: S/dụng khi các tiến trình có thể thay đổi vị trí trong khi t/hiện Xác định địa chỉ được hoãn lại tới khi thực thi chương trình Thường đòi hỏi trợ giúp từ phần cứng Được sử dụng trong nhiều hệ điều hành 22 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.3 Liên kết địa chỉ Notes Địa chỉ vật lý-địa chỉ logic Địa chỉ logic (địa chỉ ảo) Được sinh ra trong tiến trình, (CPU đưa ra) Được khối quản lý bộ nhớ (MMU) chuyển sang địa chỉ vật lý khi truy nhập tới đối tượng trong chương trình Địa chỉ vật lý Địa chỉ của một phần tử (byte/word) của bộ nhớ Tương ứng với địa chỉ logic được CPU đưa ra Chương trình làm việc với địa chỉ logic 23 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes 1 Tổng quan Ví dụ Bộ nhớ và chương trình Liên kết địa chỉ Các cấu trúc chương trình 24 / 98
9. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Các cấu trúc chương trình 1 Cấu trúc tuyến tính 2 Cấu trúc nạp động 3 Cấu trúc liên kết động 4 Cấu truc Overlays 25 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu trúc tuyến tínhI M0 M1 Biên tập M0 M1 M2 M3 M2 M3 Sau khi biên tập, các modul được tập hợp thành một chương trình hoàn thiện Chứa đầy đủ các thông tin để có thể thực hiện được Các biến trỏ ngoài đã thay bằng giá trị cụ thể Để thực hiện, chỉ cần định vị một lần trong bộ nhớ 26 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu trúc tuyến tính II Ưu điểm Đơn giản, dễ tổ chức biên tập và định vị chương trình Thời gian thực hiện nhanh Tính lưu động cao Nhược điểm Lãng phí nhớ Không phải toàn bộ chương trình đều cần thiết cho thực hiện chương trình Không thực hiện được chương trình có kích thước lớn hơn kích thước bộ nhớ vật lý 27 / 98
10. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu trúc nạp động M0 Hệ điều hành M1 M0 M1 M2 M3 M1 M2 M2 M3 Mỗi modul được biên tập riêng Khi thực hiện, hệ thống sẽ định vị modul gốc Cần tới modul nào se xin bộ nhớ và giải nạp modul vào Khi sử dụng xong một modul, hoặc khi thiếu vùng nhớ sẽ đưa nhưng modul không cần thiết ra ngoài 28 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu trúc nạp động (tiếp) Có thể sử dụng vùng nhớ nhiều hơn phần dành cho chương trình Hiệu quả sử dụng bộ nhớ cao nếu quản lý tốt Sai lầm sẽ dẫn tới lãng phí bộ nhớ và tăng thời gian thực hiện Tốc độ thực hiện chậm Yêu cầu người sử dụng phải nạp và xóa các modul Người dùng phải nắm rõ hệ thống Giảm tính lưu động 29 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu trúc liên kết động (DLL:Dynamic-link library) toto() Các liên kết sẽ hoãn lại cho tới khi M thực hiện chương trình Một phần của đoạn mã (stub) được sử dụng để tìm kiếm thủ tục tương Hệ điều hành ứng trong thư viện trong bộ nhớ toto() Khi tìm thấy, stub sẽ được thay thế với địa chỉ của thủ tục và thực hiện thủ tục toto Hữu ích cho xây dựng thư viện M 30 / 98
11. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu truc Overlays Modul được chia thành các mức Mức 0 chứa modul gốc, nạp và định vị chương trình Mức 1 chứa các Modul được gọi từ những modul ở mức 0 và không đồng thời tồn tại Bộ nhớ cũng được chia thành mức ứng với mức chương trình Kích thước bằng kích thước của modul lớn nhất cùng mức Để có cấu trúc Overlay, cần cung cấp thêm các thông tin Chương trình bao nhiêu mức, mỗi mức gồm những modul nào Thông tin cung cấp lưu trong file (sơ đồ overlay) Modul mức 0 được biên tập thành file thực thi riêng Khi thực hiện chương trình Nạp modul mức 0 như chương trình tuyến tính Cần tới modul khác, sẽ nạp modul vào mức bộ nhớ tương ứng Nếu có modul đồng mức tồn tại, đưa ra bên ngoài 31 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu trúc Overlays: Ví dụ M0 80K M1 M2 80K M11 M12 120K MM111 Bộ nhớ trong 32 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan 1.4 Các cấu trúc chương trình Notes Cấu trúc Overlays: Nhận xét Cho phép dùng chương trình có kích thước lớn hơn kích thước hệ điều hành danh cho Yêu cầu người sử dụng cung cấp các thông tin phụ Hiệu quả sử dụng phụ thuộc vào các thông tin được cung cấp Hiệu quả sử dụng bộ nhớ phụ thuộc cách tổ chức các modul trong chương trình Nếu tồn tại một modul có kích thước lớn hơn các modul khác cùng mức rất nhiều ⇒Hiệu quả giảm rõ rệt Quá trình nạp các modul là động, nhưng chương trình có tính chất tĩnh ⇒Không thay đổi trong các lần thực hiện Cung cấp thêm bộ nhớ tự do, hiệu quả vẫn không đổi 33 / 98
12. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 1. Tổng quan Notes Kết luận 34 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ Notes Nội dung chính 1 Tổng quan 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ 3 Bộ nhớ ảo 4 Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel 35 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.1 Chiến lược phân chương cố định Notes 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ Chiến lược phân chương cố định Chiến lược phân chương động Chiến lược phân đoạn Chiến lược phân trang Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang 36 / 98
13. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.1 Chiến lược phân chương cố định Notes Đơn chương trình Hệ điều hành và chương trình ứng dụng sử dụng chung RAM 1 Hệ điều hành ở vùng nhớ thấp 2 Hệ điều hành ở trong ROM, vùng nhớ trên 3 Phần ROM phía trên chứa các trình điều khiển, phần RAM phía dưới chứa hệ điều hành MS-DOS, (IBM-PC, phàn ROM là BIOS) 37 / 98Khi nhận lện, nạp chương trình vào bộ nhớ và thực thi Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.1 Chiến lược phân chương cố định Notes Nguyên tắc Bộ nhớ được chia thành n phần Mỗi phần gọi là một chương (partition) Chương không nhất thiết có kích thước bằng nhau Chương được sử dụng như một vùng nhớ độc lập Tại một thời điểm chỉ cho phép một chương trình tồn tại Các chương trình nằm trong vùng nhớ cho tới khi kết thúc Ví dụ: Xét hệ thống: 0 Hệ điều hành Process Size time 150 P1 120 20 Chương 1 P2 80 15 300 P3 70 5 Chương 2 P4 50 5 P5 140 12 500 Hàng đợi Chương 3 600 38 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.1 Chiến lược phân chương cố định Notes Vấn đề Có một hàng đợi chung cho các chương 1 Chương trình nhỏ nạp vào chương có kích thước lớn Mỗi chương một hàng đợi riêng 1 Một số chương rỗng, các chương khác đầy 39 / 98
14. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.1 Chiến lược phân chương cố định Notes Nhận xét Đơn giản, dễ tổ chức bảo vệ Chương trình và vùng nhớ có một khóa bảo vệ So sánh 2 khóa với nhau khi nạp chương trình Giảm thời gian tìm kiếm Phải sao các modul điều khiển ra làm nhiều bản và lưu ở nhiều nơi Hệ số song song không thể vượt quá n Bị phân đoạn bộ nhớ Kích thước chương trình lớn hơn kích thước chương lớn nhất Tổng bộ nhớ tự do còn lớn, nhưng không dùng để nạp các chương trình khác ⇒Sửa lại cấu trúc chương, kết hợp một số chương kề nhau Áp dụng Thường dùng cho quản lý các đĩa dung lượng lớn Hệ điều hành OS/360 của IBM (OSMFT) Multiprogramming with a Fixxed number of Task 40 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ Chiến lược phân chương cố định Chiến lược phân chương động Chiến lược phân đoạn Chiến lược phân trang Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang 41 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Nguyên tắc Chỉ có một danh sách quản lý bộ nhớ tự do Thời điểm ban đầu toàn bộ bộ nhớ là tự do với các tiến trình ⇒ vùng trống lớn nhất (hole) Khi một tiến trình yêu cầu bộ nhớ Tìm trong DS vùng trống một phần tử đủ lớn cho yêu cầu Nếu tìm thấy Vùng trống được chia thành 2 phần Một phần cung cấp theo uêu cầu Một phần trả lại danh sách vùng trống tự do Nếu không tìm thấy Phải chờ tới khi có được một vùng trống thỏa mãn Cho phép tiến trình khác trong hàng đợi thực hiện (nếu độ ưu tiên đảm bảo) Khi một tiến trình kết thúc Vùng nhớ chiếm được trả về DS quản lý vùng trống tự do Kết hợp với các vùng trống khác liên kề nếu cần thiết 42 / 98
15. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Ví dụ 0 0 Hệ điều hành Hệ điều hành 400 400 Process Size time P1 600 10 P2 1000 5 P3 300 20 P4 700 8 P5 500 15 File đợi Vùng trống tự do ? 2560 2560 43 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Chiến lược lựa chọn vùng trống tự do Có nhiều chiến lược lựa chọn vùng trống cho yêu cầu First Fit : Vùng trống đầu tiên thỏa mãn Best Fit : Vùng trống vừa vặn nhất Worst Fit : Vùng trống kích thước lớn nhất 44 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Buddy Allocation: Cung cấp nhớ Nguyên tắc: Chia đôi liên tiếp vùng trống tự do cho tới khi thu được vùng trống nhỏ nhất thỏa mãn Cung cấp cho yêu cầu n bytes 2K1K bytes Chia vùng trống tìm được thành 2 khối 4K1K bytes 2K bytes bằng nhau (gọi là buddies) 8K bytes Tiếp tục chia vùng trống phía trên thành 4K bytes 2 phần cho tới khi đạt vùng trống nhỏ 16K nhất kích thước lớn hơn n Ví dụ 8K bytes Vùng trống 16K Bytes Yêu cầu 735 Bytes 45 / 98
16. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Buddy Allocation: Cung cấp nhớ nhanh Hệ thống duy trì các danh sách vùng trống kích thước 1, 2, , 2n bytes 1K bytes 1K bytes Với yêu cầu K, tìm phần tử nhỏ nhất 2K2K bytes kích thước lớn hơn K Nếu phần tử nhỏ nhất lớn hơn 2K, chia 2K bytes liên tiếp tới khi được vùng nhỏ nhất kích 4K bytes thước lớn hơn K 2K bytes 16K Nhận xét: Với bộ nhớ kích thước n, cần duyệt log2n danh sách ⇒ Nhanh Ví dụ bộ nhớ 16K bytes 8K bytes Yêu cầu 735 bytes Yêu cầu 1205 bytes Yêu cầu 2010 bytes 46 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Buddy Allocation : Thu hồi vùng nhớ Có thể kết hợp 2 vùng kề nhau có cùng 1K bytes 2K bytes kích thước 1K bytes 4K bytes Tiếp tục kết hợp liên tiếp cho tới khi tạo 2K bytes ra vùng trống lớn nhất có thể 8K bytes Ví dụ 2K bytes 4K bytes Giải phóng vùng nhớ thứ nhất (1K) 2K bytes Kết hợp 2 vùng 1K thành vùng 2K 16K Giải phóng vùng nhớ thứ hai (2K) Kết hợp 2 vùng 2K thành vùng 4K Giải phóng vùng nhớ thứ ba (2K) 8K bytes Kết hợp 2 vùng 2K thành vùng 4K Kết hợp 2 vùng 4K thành vùng 8K Kết hợp 2 vùng 8K thành vùng 16K 47 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Vấn đề bố trí lại bộ nhớ Sau một thời gian hoạt động, các vùng trống nằm rải rác khắp nơi gây ra hiện tượng thiếu bộ nhớ. ⇒Cần phải bố trí lại bộ nhớ Dịch chuyển các tiến trình Vấn đề không đơn giản vì các đối tượng bên trong khi chuyển sang vị trí mới sẽ mang địa chỉ khác đi Sử dụng thanh ghi dịch chuyển (relocation register) chứa giá trị bằng độ dịch chuyển của tiến trình Vấn đề lựa chọn phương pháp để chi phí nhỏ nhất Dịch chuyển tất cả về một phía ⇒ vùng trống lớn nhất Dịch chuyển để tạo ra ngay lập tức một vùng trống vừa vặn Phương pháp tráo đổi (swapping) Lựa chọn thời điểm dừng tiến trình đang thực hiện Đưa tiến trình và trạng thái tương ứng ra bên ngoài Giải phóng vùng nhớ để kết hợp với các phần tử liền kề Tái định vị vào vị trí cũ và khôi phục trạng thái cũ Dùng thanh ghi dịch chuyển nếu đưa vào vị trí khác 48 / 98
17. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.2 Chiến lược phân chương động Notes Nhận xét Không phải sao lưu modul điều khiển ra nhiều nơi Tăng/giảm hệ số song song tùy theo số lượng và kích thước chương trình Không thực hiện được chương trình có kích thước lớn hơn kích thước bộ nhớ vật lý Gây ra hiện tượng rác Bộ nhớ không được sử dụng, nhưng cũng không nằm trong DS quản lý bộ nhớ tự do Do lỗi hệ điều hành Do phần mềm phá hoại Gây ra hiện tượng phân đoạn ngoài Vùng nhớ tự do được quản lý đầy đủ, nhưng nằm rải rác nên không sử dụng được Gây ra hiện tượng phân đoạn trong Vùng nhớ dành cho chương trình nhưng không được chương trình sử dụng tới 49 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ Chiến lược phân chương cố định Chiến lược phân chương động Chiến lược phân đoạn Chiến lược phân trang Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang 50 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Chương trình Chương trình thường gồm các modul Một chương trình chính (main program) Tập các chương trình con Các biến, các cấu trúc dữ liệu, Các modul, đối tượng trong c/trình được xác định bằng tên Hàm sqrt(), thủ tục printf() x, y, counter, Buffer Các p/tử trong modul được x/định theo độ lệch với vị trí đầu Câu lệnh thư 10 của hàm sqrt() Phần tử thứ 2 của mảng Buffer Chương trình được tổ chức như thế nào trong bộ nhớ? Stack nằm trên hay Data nằm trên trong bộ nhớ? Địa chỉ vật lý các đối tượng ? ⇒Không quan tâm 51 / 98
18. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Quan điểm người dùng Khi đưa c/trình vào bộ nhớ để thực hiện C/trình gồm nhiều đoạn khác nhau Không gian Mỗi đoạn là một khối logic, ứng với một địa chỉ logic modul Mã lệnh: main(), thủ tục, hàm subroutines array Dữ liệu: Đối tượng toàn cục, cục bộ Các đoạn khác: stack, mảng P/tử thứ 11 Mỗi đoạn chiếm một vùng liên tục main program Có vị trí bắt đầu và kích thước Lệnh thứ 5 data Có thể nằm tại bất cứ đâu trong bộ nhớ Đối tượng trong đoạn được xác định bởi Phần tử đầu vị trí tương đối so với đầu đoạn stack Lệnh thứ 5 của chương trình chính Phần tử đầu tiên của stack Vị trí các đối tượng trong bộ nhớ? 52 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Ví dụ HĐH Không gian địa chỉ logic 1400 subroutine array 5x4 Lệnh thứ 5 1420 Đoạn 2 P/tử thứ 11 Đoạn 3 main program Đoạn 0 Lệnh thứ 5 data Đoạn 0 stack Đoạn 4 Đoạn 1 4300 11x2 P/tử thứ 11 4322 Đoạn 3 Bộ nhớ 53 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Cấu trúc phân đoạn Chương trình là tập hợp các đoạn (modul,segment) Tên đoạn (số hiệu đoạn), độ dài của đoạn Mỗi đoạn có thể được biên tập riêng. Dịch và biên tập chương trình tạo ra bảng quản lý đoạn (SCB: Segement Control Block) Mỗi phần tử của bảng ứng với một đoạn của chương trình Mark Address Length 0 . . n Dấu hiệu (Mark (0/1)): Đoạn đã tồn tại trong bộ nhớ Địa chỉ (Address): Vị trí cơ sở (base) của đoạn trong bộ nhớ Độ dài (Length): Độ dài của đoạn Địa chỉ truy nhập: tên (số hiệu) đoạn và độ lệch trong đoạn §Vấn đề: Chuyển đổi từ địa chỉ 2 chiều ⇒ địa chỉ một chiều ¤ 54 /¦ 98 ¥
19. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Ví dụ Địa chỉ = ?354565404420 HĐH Không gian địa chỉ logic Đoạn 3 bắtLỗi đầu truy tại nhập! 3200 1400 subroutine array Đoạn 0 2400 Đoạn 2 P/tử 345 Đoạn 3 3200 main program 3545 Jmp data Offset 345 Đoạn 0 M A L Đoạn 3 4300 4420 0 - 1000 Đoạn 2 4700 stack 0 - 400 Đoạn 4 0 - 400 Đoạn 4 Đoạn 1 5700 0 - 1100 0 - 1000 6300 SCB Đoạn 1 6700 Bộ nhớ 55 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Chuyển đổi địa chỉ  Khi thực hiện chương trình Bảng quản lý đoạn được nạp vào bộ nhớ STBR (Segment-table base register): Vị trí SCB trong bộ nhớ STLR (Segment-table length register): Số phần tử của SCB  Truy nhập tới địa chỉ logic 1 s ≥ STLR : Lỗi 2 STBR + sxK : Vị trí phần tử s trong SCB 3 Kiểm tra trường dấu hiệu M của phần tử SCBs M = 0: Đoạn s chưa tồn tại trong bộ nhớ ⇒ Lỗi truy nhập ⇒ Hệ điều hành phải nạp đoạn 1 Xin vùng nhớ có kích thước được ghi trong trường L 2 Tìm modul tương ứng ở bộ nhớ ngoài và nạp và định vị vào vùng nhớ xin được 3 Sửa lại trường địa chỉ A và trường dấu hiệu M(M = 1) 4 Truy nhập bộ nhớ như trường hợp không gặp lỗi truy nhập M = 1 :Đoạn s đã tồn tại trong bộ nhớ 1 d ≥ Ls : Lỗi truy nhập (vượt quá kích thước đoạn) 2 d + A : Địa chỉ vật lý cần tìm 56 / 98 s Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Chuyển đổi địa chỉ: Sơ đồ truy nhập 57 / 98
20. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Nhận xét: ưu điểm Sơ đồ nạp modul không cần sự tham gia của người sử dụng Dễ dàng thực hiện nhiệm vụ bảo vệ đoạn Kiểm tra lỗi truy nhập bộ nhớ Địa chỉ không hợp lệ :vươt quá kích thước đoạn Kiểm tra tính chất truy nhập Đoạn mã: chỉ đọc Viết vào đoạn mã: lỗi truy nhập Kiểm tra quyền truy nhập modul Thêm trường quyền truy nhập(user/system) vào SCB Cho phép sử dụng chung đoạn (VD Soạn thảo văn bản) Tiến trình 2 Data S3 (Read only) S0 sqrt() S0 Tiến trình 1 58 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Dùng chung đoạn : Vấn đề chính Đoạn dùng chung phải cùng số hiệu trong SCB Call (0, 120) ? Read (1, 245) ? Giải quyết bằng cách truy nhập gián tiếp JMP + 08 Thanh ghi đoạn chứa số hiệu đoạn (ES:BX) 59 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.3 Chiến lược phân đoạn Notes Nhận xét : Nhược điểm Hiệu quả sử dụng phụ thuộc vào cấu trúc chương trình Bị phân mảnh bộ nhớ Phân phối vùng nhớ theo các chiến lược first fit /best fit Cần phải bố trí lại bộ nhớ (dịch chuyển, swapping) Có thể dựa vào bảng SCB • M ← 0 : Đoạn chưa được nạp vào • Vùng nhớ được xác định bởi A và L được trả về DS tự do Vấn đề lựa chọn modul cần đưa ra • Đưa ra modul tồn tại lâu nhất • Đưa ra modul có lần sử dụng cuối cách xa nhất • Đưa ra modul có tần xuất sử dụng thấp nhất ⇒Cần phương tiên ghi lại số lần và thời điểm truy nhập đoạn Giải pháp: phân phối bộ nhớ theo các đoạn bằng nhau (page)? 60 / 98
21. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ Chiến lược phân chương cố định Chiến lược phân chương động Chiến lược phân đoạn Chiến lược phân trang Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang 61 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Nguyên tắc Bộ nhớ vật lý được chia thành từng khối có kích thước bằng nhau: trang vật lý (frames) Trang vật lý được đánh số 0, 1, 2, : địa chỉ vật lý của trang Trang được dùng làm đơn vị phân phối nhớ Bộ nhớ logic (chương trình) được chia thành từng trang có kích thước bằng trang vật lý: trang logic (pages) Khi thực hiện chương trình Nạp trang logic (từ bộ nhớ ngoài) vào trang vật lý Xây dựng một bảng quản lý trang (PCB: Page Control Block) dùng để xác định mối quan hệ giữa trang vật lý và trang logic Mỗi phần tử của PCB ứng với một trang chương trình Cho biêt biết trang vật lý chứa trang logic tương ứng Ví dụ PCB[8] = 4 ⇒ ? Địa chỉ truy nhập được chia thành Số hiệu trang (p) : Chỉ số trong PCB để tìm đ/chỉ cơ sở trang Độ lệch trong trang (d): Kết hợp địa chỉ cơ sở của trang để tìm ra đ/chỉ vật lý 62 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Ví dụ a 0 0 Trangb 0 c i d j Trangk 2 1 e l f 0 5 m 1 Trangg 1 Trangnp 3 2 h 1 6 q i 2 1 j 3 2 Trangk 2 3 2 l m PCB 4 n a 3 Trangp 3 Trangb 0 5 q c e d Bộ nhớ logic Trangfg 1 6 h Truy nhập địa chỉ logic [ 6 ] ? 7 Địa chỉ [ 6 ]: Trang 1, độ lệch 2 Bộ nhớ vật lý Địa chỉ = 6*4 + 2 = 26 (624) 63 / 98
22. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Ghi chú Dung lượng trang luôn là lũy thừa của 2 Cho phép ghép giữa số hiệu trang vật lý và độ lệch trong trang Ví dụ: Bộ nhớ n bit, kích thước trang 2k số hiệu trang độ lệch n − k k Không cần thiết nạp toàn bộ trang logic vào Số trang vật lý phụ thuộc k/thước bộ nhớ, số trang logic tùy ý PCB cần trường dấu hiệu (Mark) cho biết trang đã được nạp vào bộ nhớ chưa M = 0 Trang chưa tồn tại M = 1 Trang đã được đưa vào bộ nhớ vật lý Phân biệt chiến lược phân trang - phân đoạn Chiến lược phân đoạn Các modul phụ thuộc cấu trúc logic của chương trình Chiến lược phân trang Các khối có kích thước độc lập kích thước chương trình Kích thước khối phụ thuộc phần cứng (VD: 29 → 213 bytes) 64 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Thực hiện chương trình → Nạp chương trình vào bộ nhớ Nếu đủ trang vật lý tự do ⇒ nạp toàn bộ Nếu không đủ trang vật lý tự do ⇒ nạp từng phần 65 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Thực hiện chương trình → Truy nhập bộ nhớ F Nạp chương trình Xây dựng bảng quản lý trang và luôn giữ trong bộ nhớ PTBR (Page-table base register) trỏ tới PCB. PTLR(Page-table length register) kích thước PCB. F Thực hiện truy nhập Địa chỉ truy nhập được chia thành dạng PTBR + p ∗ K : Địa chỉ phần tử p của PCB trong bộ nhớ K Kích thước 1 phần tử của PCB Kiểm tra Mp Mp = 0 : Lỗi trang, sinh một ngắt để tiến hành nạp trang Xin trang vật lý tự do (Hết trang tự do?) Tìm kiếm trang logic ở bộ nhớ ngoài và nạp trang Sửa lại trường địa chỉ A và dấu hiệu M Mp = 1 : Trang đã tồn tại, Lấy Ap ghép với d ra địa chỉ cần tìm 66 / 98
23. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Chuyển đổi địa chỉ: Sơ đồ truy nhập 67 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Nạp trang và thay thế trang Nhận xét Số trang vật lý dành cho chương trình lớn Thực hiện nhanh nhưng hệ số song song giảm Số trang vật lý dành cho chương trình bé Hệ số song song cao nhưng thực hiện chậm do hay thiếu trang ⇒ Hiệu quả phụ thuộc các chiến lược nạp trang và thay thế trang Các chiến lược nạp trangg Nạp tất cả Nạp toàn bộ chương trình Nạp trước Dự báo trang cần thiết tiếp theo Nạp theo yêu cầu Chỉ nạp khi cần thiết Các chiến lược thay thế trang FIFO First In First Out LRU Least Recently Used LFU Least Frequently Used 68 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Ưu điểm Tăng tốc độ truy nhập Hai lần truy nhập bộ nhớ (vào PCB và vào địa chỉ cần tìm) Thực hiện phép ghép thay vì phép cộng Không tồn tại hiện tượng phân đoạn ngoài Hệ số song song cao Chỉ cần một vài trang của chương trình trong bộ nhớ Cho phép viết chương trình lớn tùy ý Dễ dàng thực hiện nhiệm vụ bảo vệ Địa chỉ truy nhập hợp lệ (vượt quá kích thước) Tính chất truy nhập (đọc/ghi) Quyền truy nhập (user/system) Cho phép sử dụng chung trang 69 / 98
24. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Dùng chung trang : Soạn thảo văn bản Mỗi trang 50K 3 trang mã 1 trang dữ liệu 40 người dùng Không dùng chung Cần 8000K Dùng chung Chỉ cần 2150K 70 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Dùng chung trang: Nguyên tắc Cần thiết trong môi trường hoạt động phân chia Giảm kích thước vùng nhớ cho tất cả các tiến trình Phần mã dùng chung Chỉ một phiên bản phân chia giữa các tiến trình trong bộ nhớ Ví dụ: Soạn thảo văn bản, chương trình dịch Vấn đề: Mã dùng chung không đổi Trang dùng chung phải cùng vị trí trong không gian logic của tất cả tiến trình ⇒ Cùng số hiệu trong bảng quản lý trang Phần mã và dữ liệu riêng biệt Riêng biệt cho các tiến trình Có thể nằm ở vị trí bất kỳ trong bộ nhớ logic của tiến trình 71 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Nhược điểm Tồn tại hiện tượng phân đoạn trong Luôn xuất hiện ở trang cuối cùng Giảm hiện tượng phân đoạn trang bởi giảm kích thước trang ? Hay gặp lỗi trang Bảng quản lý trang lớn Đòi hỏi hỗ trợ của phần cứng Chi phí cho chiến lược phân trang lớn Khi chương trình lớn, bảng quản lý trang nhiều phần tử Chương trình 230, trang 212 PCB có 220 phần tử Tốn bộ nhớ lưu trữ PCB Giải quyết: Trang nhiều mức 72 / 98
25. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Trang nhiều mức Nguyên tắc: Bảng quản lý trang được phân trang Ví dụ trang 2 mức Máy 32 bít địa chỉ (232); trang kích thước 4K (212) được chia Số hiệu trang -20 bit Độ lệch trong trang -12bit Bảng trang được phân trang. Số hiệu trang được chia thành Bảng trang ngoài (thư mục trang) - 10 bit Độ lệch trong một thư mục trang - 10bit Địa chỉ truy nhập có dạng 73 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Trang nhiều mức: Ví dụ trang 2 mức 74 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Trang nhiều mức: Truy nhập bộ nhớ Khi thực hiện : Hệ thống nạp thư mục trang vào bộ nhớ Bảng trang và trang không sử dụng không cần nạp vào bộ nhớ Cần 3 lần truy nhập tới bộ nhớ Vấn đề: Với hệ thống 64 bit Trang 3, 4, mức Cần 4, 5, lần truy nhập bô nhớ ⇒ chậm Giải quyết: Bộ đệm chuyển hóa địa chỉ 75 / 98
26. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.4 Chiến lược phân trang Notes Bộ đệm chuyển hóa địa chỉ (TLB: translation look-aside buffers ) Tập thanh ghi liên kết (associative registers) Truy nhập song song Mỗi phần tử gồm Khóa: Page number Giá trị: Frame nbr TLB chứa đ/chỉ những trang mới truy nhập Khi có y/cầu Tìm p trong TLB Không có, tìm p trong PCB rồi đưa vào TLB 98% truy nhập bộ nhớ được thực hiện qua TLB 76 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.5 Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang Notes 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ Chiến lược phân chương cố định Chiến lược phân chương động Chiến lược phân đoạn Chiến lược phân trang Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang 77 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.5 Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang Notes Nguyên tắc Chương trình được biên tập theo chế độ phân đoạn Tạo ra bảng quản lý đoạn SCB Mỗi phần tử của bảng quản lý đoạn ứng với một đoạn, gồm 3 trường M, A, L Mỗi đoạn được biên tập riêng theo chế độ phân trang Tạo ra bảng quản lý trang cho từng đoạn Địa chỉ truy nhập: bộ 3 Thực hiện truy nhập địa chỉ STBR + s ⇒: địa chỉ phần tử s Kiểm tra trường dấu hiệu Ms , nạp PCBs nếu cần As + p ⇒ Địa chỉ phần tử p của PCBs Kiểm tra trường dấu hiệu Mp, nạp PCBs nếu cần Ghép Ap với d ra được địa chỉ cần tìm Được sử dụng trong VXL Intel 80386, MULTICS Quản lý bộ nhớ của VXL họ intel? Chế độ thực Chế độ bảo vệ 78 / 98
27. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ 2.5 Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang Notes Sơ đồ truy nhập bộ nhớ 79 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 2. Các chiến lược quản lý bộ nhớ Notes Tổng kết M0 2340B M1 5730 B M2 4264 B M3 1766 B Phân đoạn Kết hợp Phân đoạn - Phân trang M A M A L M A L 0 − 0 − 2340 0 − 3 1 8 1 2140 5730 0 5 6 0 − 0 − 0 − 4264 0 − 5 0 − 0 − 2 0 − 1766 0 − Bảng: SCB Bảng: SCB Bảng: PCB2 80 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo Notes Nội dung chính 1 Tổng quan 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ 3 Bộ nhớ ảo 4 Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel 81 / 98
28. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu Notes 3 Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu 3.2 Các chiến lược đổi trang 82 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu Notes Đặt vấn đề Câu lệnh phải nằm trong bộ nhớ khi thực hiện ! Toàn bộ chương trình phải nằm trong bộ nhớ ? Cấu trúc động; cấu trúc Overlays : Nạp từng phần Đòi hỏi sự chú ý đặc biệt từ lập trình viên ⇒Không cần thiết Đoạn chương trình xử lý báo lỗi Lỗi ít xảy tra, ít được thực hiện Phần khai không dùng tới Khai báo ma trận 100x100, sử dụng 10x 10 Thực hiện c/trình chỉ có 1 phần nằm trong bộ nhớ cho phép Viết chương trình trong không gian địa chỉ áolớn tùy ý virtual address space Nhiều chương trình đồng thời tồn tại ⇒ tăng hiệu suất sử dụng CPU Giảm yêu cầu vào/ra cho việc nạp và hoán đổi chương trình Kích thước phần hoán đổi (swap) nhỏ hơn 83 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu Notes Khái niệm bộ nhớ ảo Dùng bộ nhớ thứ cấp (HardDisk) lưu trữ phần chương trình chưa đưa vào bộ nhớ vật lý Phân tách bộ nhớ logic (của người dùng) với bộ nhớ vật lý Cho phép thể ánh xạ vùng nhớ logic lớn vào bộ nhớ vật lý nhỏ Cài đặt theo Phân trang Phân đoạn 84 / 98
29. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu Notes Nạp từng phần của trang chương trình vào bộ nhớ Một số trang của tiến trình nằm trong bộ nhớ vật lý, một số trang nằm trên đĩa(bộ nhớ ảo) Biểu diễn nhờ sử dụng một bit trong bảng quản lý trang Khi yêu cầu trang, đưa trang từ bộ nhớ thứ cấp vào bộ nhớ vật lý 85 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu Notes Xử lý lỗi trang Nếu không có frames tự do, phải tiến hành đổi trang 86 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu Notes Đổi trang 1 Xác định vị trí trang logic trên đĩa 2 Lựa chọn trang vật lý Ghi ra đĩa Sửa lại bit valid-invalid 3 Nạp trang logic vào trang vật lý được chọn 4 Restart tiến trình 87 / 98
30. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.2 Các chiến lược đổi trang Notes 3 Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu 3.2 Các chiến lược đổi trang 88 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.2 Các chiến lược đổi trang Notes Các chiến lược FIFO (First In First Out): Vào trước ra trước OPT/MIN Thuật toán thay thế trang tối ưu LRU (Least Recently Used): Trang có lần sử dụng cuối cách lâu nhất LFU (Least Frequently used):Tần xuất sử dụng thấp nhất MFU (Most Frequently used): Tần xuất sử dụng cao nhất 89 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.2 Các chiến lược đổi trang Notes FIFO Ví dụ Nhận xét Hiệu quả khi chương trình có cấu trúc tuyến tính. Kém hiểu quả khi chương trình theo nguyên tắc lập trình cấu trúc Đơn giản dễ thực hiện Dùng hàng đợi lưu các trang của chương trình trong bộ nhớ Chèn ở cuối hàng, Thay thế trang ở đầu hàng Tăng trang vật lý, không đảm bảo giảm số lần gặp lỗi trang Dãy truy nhập: 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5 3 frames: 9 lỗi trang; 4 frames: 10 lỗi trang 90 / 98
31. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.2 Các chiến lược đổi trang Notes OPT §Nguyên tắc: Đưa ra trang có lần sử dụng tiếp theo cách xa nhất ¤ ¦ ¥ Số lần gặp lỗi trang ít nhất Khó dự báo được diễn biến của chương trình 91 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.2 Các chiến lược đổi trang Notes LRU §Nguyên tắc: Đưa ra trang có lần sử dụng cuối cách xa nhất ¤ ¦ ¥ Hiệu quả cho chiến lược thay thế trang Đảm bảo giảm số lỗi trang khi tăng số trang vật lý Tập các trang trong bộ nhớ có n frames luôn là tập con của các trang trong bộ nhớ có n + 1 frames Y/cầu sự trợ giúp kỹ thuật để chỉ ra thời điểm truy nhập cuối Cài đặt như thế nào? 92 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.2 Các chiến lược đổi trang Notes LRU: Cài đặt Bộ đếm Thêm một trường ghi thời điểm truy nhập vào mỗi phần tử của PCB Thêm vào khối điều khiển (C.U) đồng hồ/bộ đếm Khi có yêu cầu truy nhâp trang Tăng bộ đếm Chép nội dung bộ đếm vào trường thời điểm truy nhập tại phần tử tương ứng trong PCB Cần có thủ tục cập nhật PCB (ghi vào trường thời điểm) và thủ tục tìm kiếm trang có giá trị trường thời điểm nhỏ nhất Hiện tượng tràn số !? Dãy số Dùng dãy số ghi số trang Truy nhập tới một trang, cho phần tử tương ứng lên đầu dãy Thay thế trang: Phần tử cuối dãy Thường cài đặt dưới dạng DSLK 2 chiều 4 phép gán con trỏ ⇒ tốn thời gian 93 / 98
32. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 3. Bộ nhớ ảo 3.2 Các chiến lược đổi trang Notes Thuật toán dựa trên bộ đếm Sử dụng bộ đếm (một trường của PCB) ghi nhận số lần truy nhập tới trang LFU: Trang có bộ đếm nhỏ nhất bị thay thế Trang truy nhập nhiều đến Trang quan trọng ⇒ hợp lý Trang khởi tạo, chỉ được dùng ở giai đoạn đầu ⇒ không hợp lý ⇒Dịch bộ đếm một bit (chia đôi) theo thời gian MFU: Trang có bộ đếm lớn nhât Trang có bộ đếm nhỏ nhất, vừa mới được nạp vào và vẫn chưa được sử dụng nhiều 94 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 4. Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel Notes Nội dung chính 1 Tổng quan 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ 3 Bộ nhớ ảo 4 Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel 95 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ 4. Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel Notes Các chế độ Intel 8086, 8088 Chỉ có một chế độ quản lý: Chế độ thực (Real Mode) Quản lý vùng nhớ lên đến 1MB ( 20bit ) Xác định địa chỉ ô nhớ bằng 2 giá trị 16 bit: Segment, Offset Thanh ghi đoạn: CS, SS, DS, ES, Thanh ghi độ lệch: IP, SP, BP Địa chỉ vật lý: Seg SHR 4 +Ofs Intel 80286 Chế độ thực, tương thích với 8086 Chế độ bảo vệ (Protected mode), Sử dụng phương pháp phân đoạn Khai thác được bộ nhớ vật lý 16M (24bit ) Intel 80386, Intel 80486, Pentium, Chế độ thực, tương thích với 8086 Chế độ bảo vệ :Kết hợp phân đoạn, phân trang Chế độ ảo (Virtual mode) Cho phép thực hiện mã 8086 trong chế độ bảo vệ 96 / 98
33. Chương 3: Quản lý bộ nhớ 4. Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel Notes Chế độ bảo vệ trong Intel 386, 486, Pentium, 97 / 98 Chương 3: Quản lý bộ nhớ Notes Kết luận 1 Tổng quan Ví dụ Bộ nhớ và chương trình Liên kết địa chỉ Các cấu trúc chương trình 2 Các chiến lược quản lý bộ nhớ Chiến lược phân chương cố định Chiến lược phân chương động Chiến lược phân đoạn Chiến lược phân trang Chiến lược kết hợp phân đoạn-phân trang 3 Bộ nhớ ảo 3.1 Giới thiệu 3.2 Các chiến lược đổi trang 4 Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel 98 / 98 Notes