Memória hierarchia Tárolókezelő egység

Az előadások a következő témára: "Memória hierarchia Tárolókezelő egység"— Előadás másolata:

1 Memória hierarchia Tárolókezelő egység Virtuális tárkezelés (logikai-fizikai címek) Szegmentálás Lapozás

2 Memória Feladata : adatok (több / kevesebb) tárolása (hosszabb / rövidebb ideig)

3 CPU - Memória címsín Processzor Memória adatsín

4 MMU - Memory Management Unit
Tárolókezelő egység MMU - Memory Management Unit

5 Tárolókezelés feladatai
a CPU által megcímzett címen lévő érték elérése tárhierarchia hatékony működtetése : virtuális-logikai címek kezelése, lapozás, szegmentálás memória „szétosztása” (több program, több felhasználó között...) „védelem” rendszer programok a felhasználótól felhasználók adatai felhasználók programjai (de közös eljárások)

6 IBM 650 (1950-ben a legjobb tudományos számítógép) 2000 szavas memória
ALGOL fordítóprogram 1024 szavas gépre PDP-1 időosztásos rendszer (!) db 18 bites szó 1961 virtuális memória…

7 Overlay technika (átlapolásos technika)
Probléma : nagy program, kis memória Program feldarabolása, csak a szükséges darab(ok) a memóriában program data memória p p1 data data data p p p p2 p1 p2 p3 idő p3

8 Virtuális tárkezelés

9 Cím, címtartomány, címszélesség
memória értékek memória címek 000000 000001 000010 000011 ... ... Címszélesség cím érték 011010 ... ... Címtartomány 111111

10 Logikai - fizikai címek
Logikai cím(tartomány) Fizikai cím(tartomány) a CPU által címezhető, programban használható központi memória mérete... logikai - fizikai címek megfeleltetése ?!

11 MMU i j program központi memória logikai cím fizikai MMU cím fizikai
címtartomány logikai címtartomány

12 Szegmentálás (segmentation)

13 Szegmensek képzése program szegmens = nem rögzített méretű adatblokk
data1 data2 szegmensek cím meghatározása = szegmens meghatározása + szegmensen belüli „eltolás” meghatározása p0 p1 stack

14 Szegmentált memória kezelés
logikai cím: szegmensszám eltolás s d szegmenstábla összehasonlító engedélyező a szegmenshez kapcsolódó különféle „bitek” báziscím hossz fizikai cím: + báziscím eltolás

15 Szegmentált memória kezelés (példa 1.)
Logikai: S1/183 -> 1183 Logikai: S2/276 -> 3276 1000 szegmens szám S1 200 báziscím hossz S S S 3000 S2 500 szegmenstábla

16 Szegmentált memória kezelés (példa 2.)
011 Logikai: > 11111 Logikai: > szegmens szám báziscím hossz 000 01000 000 … 011 111 szegmenstábla

17 Szegmens elhelyezési stratégiák
p2 Szegmens betöltési (elhelyezési) módszerek (stratégiák) : első szabad hely (first fit) következő szabad hely (next fit) legjobb hely (best fit) legrosszabb hely (worst fit) ? p0 fix méretű (de különböző) szegmensek... felezéses/duplázásos szegmensek... p1

18 „Szemétgyűjtés” (garbage collection, „memória kompaktálás”)
? p0 p0 p2 szegmensek p1 p2 szemétgyűjtés p1 nagyon időigényes !

19 Lapozás (paging)

20 logikai címtartomány és a
Lapok képzése lapok = azonos, rögzített méretű adatblokkok logikai címtartomány és a fizikai címtartomány felosztása lapokra fizikai címtartomány logikai címtartomány

21 ? Lapok megfeleltetése „logikai lapok” „fizikai lapok” MMU Lapkeret
(page frame) ?

22 Címkiszámítás (lapszám, eltolás)
lapszám (k) eltolás (d) lapszám 0. i bit j bit 1. n = 2i m = 2j 0. k. d. lapon belüli „eltolás” m. n.

23 Logikai-fizikai címképzés
logikai cím q d „lap leképző eljárás” „MMU” fizikai cím p d

24 Logikai-fizikai címképzés
logikai cím q d „laptábla” p fizikai cím p d

25 Logikai-fizikai címképzés
„jelenléti bit” : lap a memóriában van vagy háttértárolón q d logikai cím 1 „laptábla” p 1 fizikai cím p d

26 Lapcímzés (példa) logikai cím (15 biten) fizikai cím (13 biten) … lapszám (4 biten) eltolás (11 biten) lapszám (2 biten) eltolás (11 biten) … 1011 … … 10… 10 … jelenléti bit logikai lapszám fizikai lapszám

27 Lapcímzés (példa1) Adatok : logikai címtartomány címszélessége: 15 bit
központi memória : 8 Kbyte lapméret : 211 byte Kérdés : mekkora a laptábla mérete ? byte szervezés...(fontos !)

28 Lapcímzés (példa1 megoldás)
lapméret : 211 byte = 2 Kbyte logikai címtartomány : 15 bit = 32 Kbyte = 16 lap központi memória : 8 Kbyte = 4 lap laptábla : 16 sor (a logikai lapokhoz) soronként 3 bit 1 jelenléti bit, 2 bit (a fizikai lapszám) laptábla mérete : 16x3bit = 48bit = 6byte byte szervezés...(fontos !)

29 Lapozási mechanizmus Ha a lap nincs a memóriában : laphiba (page fault) -> megszakítás -> háttértárolóból a lap betöltése Ha nincs hely a memóriában : helyettesítési eljárás... („egy lap” eltávolítása a memóriából...) ?

30 Helyettesítési eljárások
Melyik lapot kell cserélni (eltávolítani) ? optimal : „amire legkevésbé lesz szükség”... legrégebben bentlévő (FIFO) legrégebben használt (LRU - Least Recently Used) legritkábban használt ... Megvalósítás bonyolultsága, tárigénye ? random prioritásos second chance LRU stack-el megvalósítva...

31 Optimális laphelyettesítés (példa)
Lapkérelmek : 2,3,2,4,6,2,5,6,1,4,6 Optimális helyettesítés ok ok ok ok ok „találati arány” (hit ratio) = 5/11

32 FIFO laphelyettesítés (példa)
Lapkérelmek : 2,3,2,4,6,2,5,6,1,4,6 FIFO helyettesítés ok ok „találati arány” (hit ratio) = 2/11

33 LRU laphelyettesítés (példa)
Lapkérelmek : 2,3,2,4,6,2,5,6,1,4,6 LRU helyettesítés ok ok ok ok „találati arány” (hit ratio) = 4/11

34 Lapcímzés (példa2) Adatok : logikai címtartomány címszélssége : 32 bit
központi memória : 8 Mbyte lapméret : 4 Kbyte Kérdés : mekkora a laptábla mérete ? byte szervezés...(fontos !)

35 Lapcímzés (példa2 megoldás)
lapméret : 4 Kbyte = 12 bit logikai címtartomány : 32 bit = 4 Gbyte központi memória : 8 Mbyte = 23 bit laptábla : 32-12=20 azaz 220 sor (a logikai lapokhoz) soronként 12 bit (1,5 byte) 1 jelenléti bit, 11 (a fizikai lapszám) laptábla mérete 220 x 1,5 byte = 1,5 Mbyte !!! byte szervezés...(fontos !) ?

36

37

38

39 Egyéb lehetőségek... Szegmentált lapcímzés kezelés... (szegmentálás + lapozás) Translation Lookaside Buffer... (a legutóbbi logikai-fizikai (lap)címmegfelelés tárolása cache-ban) [Modern comp. pp.252, 253]

40 Egyéb tulajdonságok... „overhead” „working set” „demand paging”...
„trashing” - multiprogramozás Belady anomália Belady FIFO 4 lappal 4/15 5 lappal 3/15

41 Lapozásos és szegmentált memória összehasonlítása
Szempontok Lapozás Szegmentálás Virtuális címtartomány nagyobb Igen Igen lehet mint a fizikai memória? Programozónak tudnia kell róla? Nem Igen Hány lineáris címtartomány? 1 Sok Könnyen kezelhetők változó Nem Igen méretű táblák?