ARQUITETURAS DE COMPUTADORES II
Memória Virtual
Prof. César Augusto M. Marcon
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Memória Virtual
• Na gerência de memória convencional páginas ou segmentos
(unidades) de um programa são todos carregados para MP antes
de sua execução
• Devido a localidade, um programa só precisa de algumas dessas
unidades em um dado momento
– É possível gerenciar a memória de forma que só unidades necessárias em
um dado momento estejam na MP
• Memória física pode ser melhor aproveitada, sendo possível:
– Executar um programa maior que a MP
– Executar vários programas “ao mesmo tempo” que somados são maiores
que a MP
• UCP gera endereços para espaço de endereçamento lógico maior
que tamanho da MP física (daí o nome virtual)
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Memória Virtual
• SO aplica regras
– Quando processo inicia não são carregadas todas suas unidades para MP
– Tabelas de conversão de endereços indicam unidades que estão na MP
(bit de validade)
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Memória Virtual
• SO aplica regras (continuação)
– Quando necessário, sistema gera um page-fault e manda buscar página do
disco
• Carregadas por demanda
– O processo perde o processador
– Processo só retorna para fila de pronto quando unidade estiver disponível
na MP
• Se MP ficar cheia, novas unidades são colocadas no lugar das menos
recentemente usadas (LRU)
– Essa técnica tem os seguintes custos associados
• Miss-penalty alto pois unidades têm que ser buscadas do disco
• Aumenta número de trocas de contexto por causa de page-faults e de eventos a
serem tratados (evento gerado quando a unidade foi trazida)
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Memória Virtual - Trashing
• Problema que pode ocorrer na gerência de memória virtual é o
Trashing
– Trashing vem de trash (lixo) e indica que nada de produtivo está sendo feito
– Ocorre quando sistema fica maior parte do tempo trocando páginas e
processador não consegue executar nenhum processo
– Ocorre quando muitos processos estão ativos e MP é proporcionalmente
pequena para acomodar as unidades
• Assim, quando processo ganha CPU ele manda trazer suas unidades e volta a
dormir, quando essas unidades são trazidas. A gerência de memória apaga
unidades de outro processo por causa da falta de espaço na memória. Quando
for a vez desse outro, suas páginas já não estão mais na memória, e assim por
diante ...
– Acima de um certo número de processos ativos o desempenho da máquina
começa a diminuir
– Este número é bastante dinâmico e depende:
•
•
•
•
Da arquitetura da máquina
Do tamanho da MP
Do número de processos ativos
Do tipo de processos que estão ativos (io-bound, cpu-bound)
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Memória Virtual - Trashing
•
A taxa de utilização do processador cai exponencialmente, quando o
mesmo está em trashing, assim como ilustrado abaixo
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Acesso Completo a Endereços
ENDEREÇO LÓGICO
TABELA
DE
PÁGINAS
PAGE
FAULT
Disco
TLB MISS
PAGE
HIT
MISS
Envia dado
para a CPU
TLB
TLB HIT
MEMÓRIA CACHE HIT
CACHE
CACHE MISS
MEMÓRIA
PRINCIPAL
HIT
CPU
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Memória Virtual - Estudo de Casos
•
Maioria dos SOs aplica técnicas de memória virtual na gerência de memória
•
No caso de sistemas que executam em múltiplas plataformas a gerência de
memória pode variar, dependendo do hardware disponível (MMU – Memory
Management Unity)
•
UNIX
– Versões antigas do UNIX aplicavam um particionamento variável da memória
sem memória virtual
– Versões mais modernas (SVR4 e Solaris2.x) implementam memória virtual
paginada
– Substituição de páginas feita com variações do algoritmo do relógio
• Para o kernel (pequenos blocos) é utilizado uma variação do algoritmo de buddy
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Memória Virtual - Linux
• Linux
– Tem várias características em comum com UNIX, mas tem suas
peculiaridades
• Implementa memória virtual paginada com tabela de página de 3 níveis
(diretório, diretório intermediário, página)
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Memória Virtual - Linux
•
Conceito de diretório reduz tamanho das tabelas
– Aumenta complexidade de acesso (várias consultas para converter endereço)
•
Tabelas usadas em conversão mas estrutura das tabelas não é linear e sim uma
árvore
– Várias tabelas de diretórios intermediários para cada entrada da tabela de
diretórios
– Várias tabelas de páginas para cada entrada de cada tabela de diretórios
intermediários!!!
•
•
•
•
•
Páginas de 4Kbytes na família X86 e 8Kbytes na família Alpha
Para facilitar portabilidade tem um nível intermediário de gerência de memória
Architecture Independent Memory Model
Substituição de páginas feita com variação do algoritmo do relógio
Alocação dinâmica feita na pilha do sistema (stack)
Para o kernel é utilizado uma variação do algoritmo de buddy
– Linux implementa o Buddy sobre páginas mas subdivide-as em menores
unidades para melhor atender as necessidades do kernel
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Memória Virtual – OS2
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Memória Virtual
• Windows 2000
– Utiliza memória virtual paginada
– Divide espaço de memória virtual de 4 Gbytes (registrador de 32 bits) em 2
GB para processos de usuário e 2 GB para SO
– Quando processo de usuário é disparado recebe um número de frames de
memória (Working Set - WS)
• Substituições de páginas efetuadas apenas dentro deste WS, ou seja, só páginas
do mesmo processo são candidatas para a substituição
• Se número de substituições de um processo for grande e bastante memória
estiver disponível, o WS pode ser aumentado
• Se memória livre ficar escassa, o SO diminui o WS dos processos de usuário
retirando suas páginas menos recentemente utilizadas
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Exercícios
1.
(POSCOMP 2004 - 32) Considere as seguintes afirmativas:
I.
II.
III.
IV.
V.
Uma modificação em uma CPU fez o cycle time e o CPI aumentarem de 10%
enquanto o número de instruções executadas para uma dada aplicação decresceu
de 20%. Podemos concluir que o tempo de execução desta aplicação será mantido.
Um page fault ocorre quando a entrada correspondente à página requerida não é
encontrada no translation lookside buffer.
Para armazenar uma mesma quantidade de dados, uma cache direct mapped é
tipicamente menor que uma cache set associative, assumindo blocos de mesmo
tamanho.
Aumentando–se o tamanho do bloco de uma cache aumentam–se as vantagens
obtidas com a localidade espacial.
Memória virtual tipicamente usa a estratégia write–through ao invés de estratégia
write–back.
Quais são as alternativas verdadeiras?
a)
b)
c)
d)
e)
Somente as afirmativas I, II, III e IV são verdadeiras.
Somente as afirmativas I, III e IV são verdadeiras.
Somente as afirmativas II, III e IV são verdadeiras.
Somente as afirmativas III e IV são verdadeiras.
Todas as afirmativas são verdadeiras.
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Resposta de Exercícios
1.
(POSCOMP 2004 - 32) Considere as seguintes afirmativas:
I.
II.
III.
IV.
V.
Uma modificação em uma CPU fez o cycle time e o CPI aumentarem de 10%
enquanto o número de instruções executadas para uma dada aplicação decresceu
de 20%. Podemos concluir que o tempo de execução desta aplicação será mantido.
Um page fault ocorre quando a entrada correspondente à página requerida não é
encontrada no translation lookside buffer.
Para armazenar uma mesma quantidade de dados, uma cache direct mapped é
tipicamente menor que uma cache set associative, assumindo blocos de mesmo
tamanho.
Aumentando–se o tamanho do bloco de uma cache aumentam–se as vantagens
obtidas com a localidade espacial.
Memória virtual tipicamente usa a estratégia write–through ao invés de estratégia
write–back.
Quais são as alternativas verdadeiras?
a)
b)
c)
d)
e)
Somente as afirmativas I, II, III e IV são verdadeiras.
Somente as afirmativas I, III e IV são verdadeiras.
Somente as afirmativas II, III e IV são verdadeiras.
Somente as afirmativas III e IV são verdadeiras.
Todas as afirmativas são verdadeiras.
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Exercícios
2. (ENADE 2005 - questão 22) Com relação ao gerenciamento de
memória com paginação em sistemas operacionais, assinale a opção
correta.
A. As páginas utilizadas por um processo, sejam de código ou de dados, devem ser
obrigatoriamente armazenadas na partição de swap do disco, quando o processo não
estiver sendo executado
B. Todas as páginas de um processo em execução devem ser mantidas na memória
física enquanto o processo não tiver terminado
C. Um processo somente pode ser iniciado se o sistema operacional conseguir alocar um
bloco contíguo de páginas do tamanho da memória necessária para execução do
processo
D. O espaço de endereçamento virtual disponível para os processos pode ser maior que
a memória física disponível
E. Um processo somente pode ser iniciado se o sistema operacional conseguir alocar
todas as páginas de código desse processo
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Resposta de Exercícios
2. (ENADE 2005 - questão 22) Com relação ao gerenciamento de
memória com paginação em sistemas operacionais, assinale a opção
correta.
A. As páginas utilizadas por um processo, sejam de código ou de dados, devem ser
obrigatoriamente armazenadas na partição de swap do disco, quando o processo não
estiver sendo executado
B. Todas as páginas de um processo em execução devem ser mantidas na memória
física enquanto o processo não tiver terminado
C. Um processo somente pode ser iniciado se o sistema operacional conseguir alocar um
bloco contíguo de páginas do tamanho da memória necessária para execução do
processo
D. O espaço de endereçamento virtual disponível para os processos pode ser maior que
a memória física disponível
E. Um processo somente pode ser iniciado se o sistema operacional conseguir alocar
todas as páginas de código desse processo
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Exercícios
3. Porque utilizar sistemas de memória virtual?
4. Diga quando pode ocorrer page-fault
5. Quais são as técnicas de escrita em memória virtual? Compare vantagens e
desvantagens de cada uma
6. O mapeamento em sistemas de memória virtual é indexado ou associativo? Por
quê?
7. (ENADE 2010 - questão 36) Técnicas eficientes para o uso de memória, como
memória virtual e caching, podem ser utilizadas, por quê?
a) aumentou o espaço de armazenamento em RAM
b) memórias dinâmicas são mais rápidas que memórias estáticas
c) aumentou a velocidade de acesso para a memória RAM
d) o princípio da localidade pode ser aplicado
e) o thrashing não pode ocorrer em memórias modernas
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Resposta de Exercícios
3. Porque utilizar sistemas de memória virtual?
4. Diga quando pode ocorrer page-fault
5. Quais são as técnicas de escrita em memória virtual? Compare vantagens e
desvantagens de cada uma
6. O mapeamento em sistemas de memória virtual é indexado ou associativo? Por
quê?
7. (ENADE 2010 - questão 36) Técnicas eficientes para o uso de memória, como
memória virtual e caching, podem ser utilizadas, por quê?
a) aumentou o espaço de armazenamento em RAM
b) memórias dinâmicas são mais rápidas que memórias estáticas
c) aumentou a velocidade de acesso para a memória RAM
d) o princípio da localidade pode ser aplicado
e) o thrashing não pode ocorrer em memórias modernas
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Exercícios
8. (POSCOMP 2009 questão 26) Considere uma arquitetura de memória
com as seguintes características:
– Memória logicamente particionada em segmentos paginados.
– Endereços virtuais de 32 bits:
•
•
•
•
8 para segmentos
11 para páginas
O restante para o endereçamento na página
Endereços físicos de 20 bits e páginas de 8KB;
Caso o particionamento lógico fosse o de paginação pura, a relação
entre o número de páginas virtuais e o número de frames seria
equivalente a:
A)
8192
B)
4096
C)
1024
D)
128
E)
32
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Resposta de Exercícios
8. (POSCOMP 2009 questão 26) Considere uma arquitetura de memória
com as seguintes características:
– Memória logicamente particionada em segmentos paginados.
– Endereços virtuais de 32 bits:
•
•
•
•
8 para segmentos
11 para páginas
O restante para o endereçamento na página
Endereços físicos de 20 bits e páginas de 8KB;
Caso o particionamento lógico fosse o de paginação pura, a relação
entre o número de páginas virtuais e o número de frames seria
equivalente a:
A)
8192
B)
4096
C)
1024
D)
128
E)
32
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Exercícios
9. (POSCOMP 2012 questão 47) O fenômeno de thrashing de um sistema
é caracterizado por:
a) Excesso de processos executando no sistema.
b) Impossibilidade de uso de memória virtual.
c) Execução excessiva de coleta de lixo (garbage collection) na memória.
d) Falhas eventuais no atendimento ao princípio da localidade na memória.
e) Uso de algoritmos de paginação que causem a anomalia de Belady.
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Resposta de Exercícios
9. (POSCOMP 2012 questão 47) O fenômeno de thrashing de um sistema
é caracterizado por:
a) Excesso de processos executando no sistema.
b) Impossibilidade de uso de memória virtual.
c) Execução excessiva de coleta de lixo (garbage collection) na memória.
d) Falhas eventuais no atendimento ao princípio da localidade na memória.
e) Uso de algoritmos de paginação que causem a anomalia de Belady.
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Exercícios
10. (POSCOMP 2012 questão 49) O gerenciamento de memória virtual
(MV) pressupõe a existência de tabelas de páginas e mecanismos para
ranqueamento de páginas, além da existência do princípio da
localidade. Considerando que o algoritmo de MV, utilizado em um dado
sistema, permite que as páginas envolvidas na operação de swapping
sejam de conjuntos residentes diferentes, assinale a alternativa que
apresenta o impacto disso sobre os processos em execução
a) Deve piorar a taxa de faltas de páginas por não respeitar o princípio da localidade
b) Pode criar a ocorrência de deadlocks entre os processos que usam os conjuntos
residentes envolvidos
c) deve melhorar a taxa de faltas de páginas por ajustar o tamanho dos vários
conjuntos residentes
d) Não altera a taxa de faltas de páginas pois essas não dependem dos conjuntos
residentes
e) Força o bloqueio desnecessário de um processo que não teve falta de página
enquanto o swapping estava sendo realizado
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Resposta de Exercícios
10. (POSCOMP 2012 questão 49) O gerenciamento de memória virtual
(MV) pressupõe a existência de tabelas de páginas e mecanismos para
ranqueamento de páginas, além da existência do princípio da
localidade. Considerando que o algoritmo de MV, utilizado em um dado
sistema, permite que as páginas envolvidas na operação de swapping
sejam de conjuntos residentes diferentes, assinale a alternativa que
apresenta o impacto disso sobre os processos em execução
a) Deve piorar a taxa de faltas de páginas por não respeitar o princípio da localidade
b) Pode criar a ocorrência de deadlocks entre os processos que usam os conjuntos
residentes envolvidos
c) Deve melhorar a taxa de faltas de páginas por ajustar o tamanho dos vários
conjuntos residentes
d) Não altera a taxa de faltas de páginas pois essas não dependem dos conjuntos
residentes
e) Força o bloqueio desnecessário de um processo que não teve falta de página
enquanto o swapping estava sendo realizado
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Exercícios
11. (POSCOMP 2013, Questão 46) Apesar de a alocação de memória em blocos
implicar em um mecanismo mais complexo para a conversão entre endereços
virtuais e endereços físicos, é a partir do seu conceito que o gerenciamento de
memória evoluiu para o que se tem hoje, com o uso de memória cache e
memória virtual. Com base nessas informações, considere as afirmativas a
seguir
I. O endereçamento é facilitado por hardware especializado.
II. O uso de páginas de tamanho igual a potência de 2 permite um melhor
gerenciamento.
III. O uso de memória cache elimina a necessidade de endereçamento, pois trata as
informações como linhas de cache.
IV. Endereços virtuais não são necessários se não se usar memória virtual.
Assinale a alternativa correta.
a) Somente as afirmativas I e II são corretas.
b) Somente as afirmativas I e IV são corretas.
c) Somente as afirmativas III e IV são corretas.
d) Somente as afirmativas I, II e III são corretas.
e) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.
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Resposta de Exercícios
11. (POSCOMP 2013, Questão 46) Apesar de a alocação de memória em blocos
implicar em um mecanismo mais complexo para a conversão entre endereços
virtuais e endereços físicos, é a partir do seu conceito que o gerenciamento de
memória evoluiu para o que se tem hoje, com o uso de memória cache e
memória virtual. Com base nessas informações, considere as afirmativas a
seguir
I. O endereçamento é facilitado por hardware especializado.
II. O uso de páginas de tamanho igual a potência de 2 permite um melhor
gerenciamento.
III. O uso de memória cache elimina a necessidade de endereçamento, pois trata as
informações como linhas de cache.
IV. Endereços virtuais não são necessários se não se usar memória virtual.
Assinale a alternativa correta.
a) Somente as afirmativas I e II são corretas.
b) Somente as afirmativas I e IV são corretas.
c) Somente as afirmativas III e IV são corretas.
d) Somente as afirmativas I, II e III são corretas.
e) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.