Bài giảng Lập trình hệ điều hành: Chương 7 - Hà Duy Anh

Chia sẻ: Thanh Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

114
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Lập trình hệ điều hành - Chương 7: Main Memory" cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan, hoán vị(Swapping), cấp phát bộ nhớ liên tục, phân đoạn (Segmentation), phân trang (Paging), cấu trúc bảng trang. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Lập trình hệ điều hành: Chương 7 - Hà Duy Anh

Khoa Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông Đại học Cần Thơ Giảng viên: Hà Duy An
1.Tổng quan 2.Hoán vị (Swapping) 3.Cấp phát bộ nhớ liên tục 4.Phân đoạn (Segmentation) 5.Phân trang (Paging) 6.Cấu trúc bảng trang 10/28/2013 2 Chương 7: Main Memory
• Chương trình phải được mang vào bộ nhớ và được đặt vào một tiến trình để thực thi. • Bộ nhớ chính và các thanh ghi là hai thiết bị lưu trữ mà CPU có thể truy cập trực tiếp • Đơn vị bộ nhớ (memory unit) chỉ nhìn thấy một luồng địa chỉ + yêu cầu đọc, hay địa chỉ + dữ liệu và yêu cầu ghi • Các thanh ghi có thể được truy cập chỉ với một chu kỳ CPU (hay ít hơn) • Truy cập bộ nhớ chính cần nhiều chu kỳ CPU hơn • Cache nằm ở giữa bộ nhớ chính và các thanh ghi • Các thao tác trên bộ nhớ cần được đảm bảo chính xác 10/28/2013 4 Chương 7: Main Memory
• Một cặp thanh ghi nền (base) và giới hạn (limit) xác định không gian địa chỉ của tiến trình trên bộ nhớ • CPU phải kiểm tra tất cả truy cập bộ nhớ từ không gian người dùng nằm trong khoảng giới hạn của thanh ghi nền và giới hạn 10/28/2013 5 Chương 7: Main Memory
10/28/2013 6 Chương 7: Main Memory
• Tập hợp các chương trình trên đĩa, sẵn sàng được mang vào bộ nhớ để thực thi hình thành một hàng đợi nhập (input queue) o Nếu không có sự hỗ trợ nào, chương trình phải được nạp vào từ địa chỉ: 0000 • Hầu hết các hệ thống máy tính cho phép các tiến trình có thể nằm ở bất kỳ phần nào trong bộ nhớ vật lý • Các địa chỉ ở trong các dạng thức khác nhau tại mỗi giai đoạn khác nhau của chương trình: o Các địa chỉ tượng trưng trong chương trình nguồn. o Các địa chỉ tái định vị khi biên dịch. o Các địa chỉ tuyệt đối khi nạp (loading) hoặc nối kết (linking). => Mỗi giai đoạn, việc gắng kết sẽ ánh xạ từ một không gian địa chỉ này sang một không gian địa chỉ khác. 10/28/2013 7 Chương 7: Main Memory
• Việc gắn kết địa chỉ (address binding) của các chỉ thị và dữ liệu vào địa chỉ bộ nhớ có thể diễn ra tại 3 giai đoạn khác nhau: o Thời điểm biên dịch (compile time): Nếu vị trí vùng nhớ được biết trước, thì có thể sinh ra mã lệnh tuyệt đối (absolute code); tuy nhiên chương trình phải được biên dịch lại nếu vị trí bắt đầu của vùng nhớ thay đổi. o Thời điểm nạp (load time): trình biên dịch phải sinh ra mã lệnh có thể tái định vị (relocatable code) nếu không thể biết được vị trí vùng nhớ tại thời điểm biên dịch. Trong trường hợp này việc gắng kết bị trì hoãn cho đến thời điểm nạp. Chương trình phải được nạp lại nếu vị trí bắt đầu của vùng nhớ thay đổi o Thời điểm thực thi (execution time): Việc gắn địa chỉ bị trì hoãn cho đến thời điểm thực thi nếu tiến trình có thể phải di chuyển được từ phân đoạn bộ nhớ (segment) này đến phân đoạn bộ nhớ khác khi thực thi. Cần thêm sự hỗ trợ của phần cứng để ánh xạ địa chỉ(ví dụ như các thanh ghi cơ sở (base) và giới hạn (limit)). 10/28/2013 8 Chương 7: Main Memory
10/28/2013 9 Chương 7: Main Memory
• Cơ chế cho phép không gian địa chỉ luận lý tách biệt khỏi không gian địa chỉ vật lý, chính là trọng tâm của cơ chế quản lý bộ nhớ. o Địa chỉ luận lý (logical address): được sinh ra bởi CPU, cũng được xem là địa chỉ ảo (virtual address). o Địa chỉ vật lý (physical address): địa chỉ được nhìn thấy bởi bộ quản lý bộ nhớ. • Địa chỉ luận lý và vật lý là như nhau trong sơ đồ gắn kết địa chỉ tại thời điểm biên dịch và nạp chương trình. • Địa chỉ luận lý và địa chỉ vật lý sẽ khác nhau trong sơ đồ gắn kết địa chỉ tại thời điểm thực thi. 10/28/2013 10 Chương 7: Main Memory
• Bộ quản lý bộ nhớ (Memory management Unit – MMU): thiết bị phần cứng làm nhiệm vụ ánh xạ địa chỉ ảo sang địa chỉ vật lý => nhiều phương thức có thể được sử dụng • Một sơ đồ ánh xạ đơn giản là dùng thanh ghi tái định vị (relocation/base register): giá trị của thanh ghi tái định vị được cộng vào bất cứ địa chỉ nào sinh ra bởi tiến trình người dùng vào thời điểm nó được gửi đến bộ nhớ o MS-DOS trên Intel 80x86 sử dụng 4 thanh ghi tái định vị • Chương trình người dùng thực thi với các địa chỉ luận lý; nó không bao giờ thấy được địa chỉ vật lý thật sự 10/28/2013 11 Chương 7: Main Memory
10/28/2013 12 Chương 7: Main Memory
• Nạp tĩnh (static loading): toàn bộ chương trình và dữ liệu được nạp một lần vào bộ nhớ vật lý cho tiến trình để chạy. • Nạp động (dynamic loading): thường trình (routine) chỉ được nạp khi nó được gọi. o Tất cả các thường trình được lưu trên đĩa theo định dạng nạp có thể tái định vị. o Bộ nạp liên kết tái định vị (relocatable linking loader) được dùng để nạp các thường trình mong muốn. • Điều này làm tăng hiệu năng sử dụng bộ nhớ; các thường trình không được sử dụng sẽ không bao giờ được nạp. • Hữu ích khi một số lượng lớn các mã lệnh được cần để giải quyết các tình huống không thường xuất hiện. • Không cần sự hỗ trợ đặc biệt của hệ điều hành: o Nạp động được cài đặt thông qua cách thiết kế chương trình. o HĐH có thể hỗ trợ bằng cách cung cấp các thư viện để cài đặt nạp động 10/28/2013 13 Chương 7: Main Memory
• Liên kết tĩnh (static linking): các thư viện hệ thống và mã chương trình được kết hợp với nhau bởi bộ nạp (loader) thành một chương trình nhị phân có thể thực thi (executable image). • Liên kết động (dynamic linking): việc liên kết bị hoãn lại đến tận thời điểm thực thi. • Một đoạn mã lệnh nhỏ, stub, được sử dụng để định vị thường trình thư viện thường trú (memory-resident library routine) tương ứng hay cách thức nạp thư viện cần thiết vào nếu thường trình cần tham chiếu chưa được nạp vào bộ nhớ. • Stub thay thế chính nó bằng địa chỉ của thường trình và thực thi thường trình đó • Hệ điều hành cần phải kiểm tra thường trình có nằm trong không gian địa chỉ của các tiến trình hay không. o Nếu không, thêm nó vào • Liên kết động hữu ích đặc biệt cho các thư viện chia sẻ (shared libraries). 10/28/2013 14 Chương 7: Main Memory
• Một tiến trình có thể được hoán vị tạm thời ra khỏi bộ nhớ, đến vùng lưu trữ phụ (backing store) và rồi lại được mang trở lại bộ nhớ để tiếp tục thực thi. • Vùng lưu trữ phụ: đĩa tốc độ cao, đủ lớn để sao chép tất cả ảnh bộ nhớ (memory image) cho tất cả người dùng; phải cho phép truy cập trực tiếp đến các ảnh này. • Hàng đợi sẳn sàng bao gồm tất cả các tiến trình sẳn sàng để thực thi nằm trong bộ nhớ và nằm trong vùng lưu trữ phụ • Nếu tiến trình kế tiếp được cấp CPU không nằm trong bộ nhớ => cần phải hoán vị một tiến trình ra, và mang tiến trình cần thiết vào bộ nhớ • Thời gian chuyển ngữ cảnh trường hợp này là rất cao • Giả sử tiến trình 100MB hoán vị ra đĩa với tốc độ 50MB/sec o Thời gian hoán vị ra: 2000ms o Cộng thời gian hoán vị vào một tiến trình có cùng kích thước o Tổng thời gian chuyển đổi ngữ cảnh: 4000ms 10/28/2013 15 Chương 7: Main Memory
10/28/2013 16 Chương 7: Main Memory
• Phần chính của thời gian hoán vị là thời gian chuyển dữ liệu; tổng thời gian chuyển dữ liệu tỷ lệ thuận với lượng bộ nhớ được hoán vị. o Giảm kích thước dữ liệu cần hoán vị – nếu biết chính xác dung lượng bộ nhớ thật sự cần dùng • Các ràng buộc khác: o Có cần hoán vị tiến trình vào chính xác vùng nhớ trước đó hay không? o Khi tiến trình đang thực hiện tao tác I/O • Phiên bản chuẩn của hoán vị không được dùng trong HĐH hiện đại. Tuy nhiên, các phiên bản cải tiến của kỹ thuật này được dùng trong nhiểu hệ thống (như: Unix, Linux, và Windows): o Hoán vị thông thường được vô hiệu hóa o Chỉ bắt đầu khi số lượng bộ nhớ đã cấp phát lớn hơn một ngưỡng nào đó 10/28/2013 17 Chương 7: Main Memory
18 10/28/2013 Chương 7: Main Memory
• Là một trong các phương pháp cấp phát bộ nhớ được dùng đầu tiên • Bộ nhớ chính thường được chia làm 2 phần: o Phần thường trú của hệ điều hành: thường được tổ chức trong vùng nhớ thấp với các vector ngắt. o Các tiến trình người dùng được tổ chức trong vùng nhớ cao;  mỗi tiến trình được cấp phát duy nhất một vùng nhớ liên tục trong bộ nhớ • Sơ đồ thanh ghi tái định vị được sử dụng để bảo vệ các tiến trình người dùng với nhau, và để chống việc thay đổi mã lệnh và dữ liệu của hệ điều hành: o Thanh ghi tái định vị (relocation register) chứa giá trị của địa chỉ vật lý nhỏ nhất o Thanh ghi giới hạn (limit register) chỉ ra phạm vi cho phép của các địa chỉ luận lý - mỗi địa chỉ luận lý phải nhỏ hơn giá trị trong thanh ghi giới hạn. o MMU ánh xạ động địa chỉ luận lý > vật lý 10/28/2013 19 Chương 7: Main Memory
10/28/2013 20 Chương 7: Main Memory