(c) yohai devir234267 - january 20061 מבנה מחשבים ספרתיים 234267 זכרון...

(C) Yohai Devir 234267 - January 2006 1

מבנה מחשבים ספרתיים234267

זכרון וירטואלימבוסס על תרגול של מורן גביש


הבעייה

ישנה כמות נתונה ומוגבלת של זיכרון פיזי. איך נחלק אותו בין התהליכים השונים?

CPU 2תהליך

1תהליך

3תהליך

זיכרון פיזי


פתרון ראשון:חלוקה שווה של הזיכרון בין התהליכים השונים.

בפתרון: הבעייתיותתהליכים שדורשים הרבה זיכרון מצריכים הגדלת 1.

הבלוק )שמגביל מספר התהליכים האפשרי(מבזבזים את רוב זיכרון מעט שדורשים תהליכים2.

הבלוק הגדול שהוקצה עבורם )שברור פנימי(ריצת בזמן לשינוי ניתנת לא הזיכרון הקצאת3.

התהליכים


פתרון שניהקצאת זיכרון תיעשה בקטעים, על פי בקשות התהליכים.

(Windows 3.x)דוגמה:

בפתרון: הבעייתיותעקב הקצאה ושחרור קטעים בגדלים שונים, הזיכרון 1.

שבין הקטעים מתבזבז )שברור חיצוני(ניצול יעיל של זיכרון מצריך הזזת קטעים ושיטות 2.

מיעון מסובכות


פתרון שלישי - זיכרון וירטואלי

הזכרון שהתכנית רואה – "המרחב נפריד בין הזיכרון)הפיזי לבין המרחב (הווירטואלי)הלוגי" המחשב(. של בפועל

המשני בזיכרון מקום בד"כ גם מקצים זה בפתרון לזיכרון הפיזי כהרחבה שישמש הקשיח( הדיסק)

( swapping.)במחשב הקיים


מושגים

שנקראות מסגרות. – הזיכרון הפיזי מחולק ליחידות שוותמסגרתPFN )physical frame number(.מספר מסגרת במרחב הפיזי –

הזיכרון הלוגי של כל תהליך מחולק ליחידות שוות – (pageדף )בגודל למסגרות. כל יחידה נקראת דף.

VPN )virtual page number(.מספר דף במרחב הלוגי –

– הזיכרון של המחשב.זיכרון פיזי

– מרחב זיכרון מדומה אליו ניגש תהליך.זיכרון וירטואליswapping ניצול הזיכרון המשני להרחבת מרחב הזכרון –

שבשימוש; מבטל את החובה כי כל תהליך ישהה בזיכרון הפיזי במהלך כל הריצה, ובפרט מאפשר להריץ תהליכים גדולים מגודל

הזיכרון הפיזי.


יתרונות הזיכרון הווירטואלי

אפשרות להגדיל את הזיכרון השמיש מעבר לגודל 1..swappingהזיכרון הפיזי, בעזרת

– לכל תוכנית מרחב זיכרון relocationאין צורך ב-2. בזיכרון(.0וירטואלי נפרד )מתחילה מכתובת

שיתוף זיכרון קל – יכולים להחזיק דף אחד בזיכרון 3. של תהליכים PTEהפיזי שאליו יצביעו רשומות

שונים.מקרה פרטי: תמיכה יעילה בריבוי תהליכים •

(fork.)הגנה )הפרדה( – בין מרחבי זיכרון של תהליכים 4.

שונים.


הווירטואליהזיכרוןמבנה

CPU

0x00000


הפיזיהזיכרוןמבנה

חלקים:2מחולק ל- הפיזי הזיכרון המרחבים עבור תרגום טבלאות העליון" מכיל "החלק1.

.התהליכים של כל הווירטואלייםדפי המכילות המסגרות התחתון" מכיל את החלק"2.

של התהליכים. הזיכרון

מסוים. סדר כלשהו, ללא דף להכיל יכולה מסגרת כל בזיכרון דף הפיזי = גודל בזיכרון מסגרת גודל

הווירטואלי.


הפיזיהזיכרוןמבנה

2

1

3

2

1

3

2

1

3

זיכרון משני(דיסק)

3

2

1

PTE

PTE

PTE

PT

PT

זיכרון ראשי

PTBR

2


מהלך גישה לכתובת וירטואלית

ממען רק לפי הכתובות הווירטואליות של התהליך, CPUה-ולכן כדי לגשת לנתון בזיכרון הפיזי יש צורך לתרגם את

הכתובת הווירטואלית לכתובת פיזית.

VPN Offset

VPN )Virtual Page Number( וירטואלי דף מספר הוא .התהליך במרחב של

Offset – לגשת רוצים אליו לבית הדף היסט מתחילת.

טבלת עפ"י התחתון בחלק הנכונה למסגרת ניגשים התרגום.


מבנה טבלת תרגום.

.

.

PTE

.

.

PTEנקראת כניסה כל(Page Table Entry)

בטבלת אחת כניסה התהליך יש במרחב וירטואלי דף כל עבורה- של התרגום לפי כלומר, תהליך. בכתובת VPNאותו

את מוצאים ה- הווירטואלית בטבלת PTEכניסת המתאימה התרגום.


מבנה טבלת תרגום

PTE PTE

תהליך רק יש נתון רגע בכל אך תהליכים, כמה יש במערכת לתחילת במעבד. כרגע שרץ הפעיל"( "התהליך )נקרא אחד

ה- מצביע הפעיל התהליך של התרגום PTBR )Pageטבלת Table Base

Register.) את לשנות יש תהליכים, החלפת של במקרה התהליך PTBRה- של התרגום טבלת תחילת על להצביע

החדש.

PTE

PTBR


חישוב כתובת )פיסית( הכניסה המתאימה בטבלת התרגום:PTE_Address = [PTBR] + VPN*(Size Of One PTE)


מבנה כניסה בטבלת התרגוםV M PFN

.הפיזי בזיכרון הדף יושב בה המסגרת מספר זהו - PFNשדה



מציינת האם הדף נמצא בזיכרון הפיזי. )אם לא, ייתכן שהדף – Validסיבית נמצא בזכרון המשני, או שהכתובת לא חוקית.(

כלומר רק כשיש דרישה , Paging on Demandמדיניות הבאת הדפים היא מביאים את הדף המתאים לזיכרון הפיזי.

Page Faultאם הדף לא קיים בזיכרון הפיזי, בפנייה אליו תקרה פסיקת )פנייה לכתובת וירטואלית שאין עבורה מיפוי לכתובת פיזית(. הפסיקה

מטופלת ע"י מערכת ההפעלה. אם הדף המבוקש נמצא בדיסק, המערכת צריכה לטעון אותו לאחת המסגרות הפנויות בזיכרון הפיזי. אם אין מסגרת

פנויה אז יש לפנות את אחד הדפים, לעדכן את הדף שהוצא בזיכרון המשני, ולהכניס את הדף החדש למסגרת.

.LRUהפינוי נעשה לפי מדיניות



Write-Backלפי מדיניות כתיבה – Modifiedסיבית מעדכנים את תוכן הדף בזיכרון המשני רק כאשר מפנים

מציינת האם הדף Mאותו מהזיכרון הפיזי. הסיבית עודכן אחרי הטעינה. אם כן, בפינוי הדף נעדכן את

תוכנו בדיסק.


תרגום כתובת וירטואלית לפיזית

הפיזי. בזיכרון הדף יושב בה המסגרת זהו מספר – PFNשדה הוירטואלית. הכתובת שלoffsetה- אותו שדה – offsetשדה עצמו. התרגום, ואחת לנתון הפיזי – אחת לטבלת לזיכרון גישות 2ישנן הכל בסך

לשדות אותה נחלק הפיזית הכתובת מציאת מטמון, לאחר זיכרון גם ויש במידהtag, set, dispהגישה את נחסוך, כרגיל, כלומר במטמון הנתון את , ונחפש

השניה.

VPN offset

PFN offset

טבלת תרגום


דוגמא של מכונה עם זיכרון מדומה

הנחות :cacheלמכונה אין •טבלת הדפים נמצאת בזיכרון הראשי•PTBR=0x1000כתובת בסיס של טבלת הדפים נתונה ברגיסטר •.940001C0 הוא 00201200תוכן הכתובת • ביטים30כתובת וירטואלית באורך • ביטים32כתובת פיזית באורך •(:PTEכניסה בטבלת הדפים מכילה את המידע הבא )•

3127

3026 23 25

0 22

Valid

Protection

Modified

Unused

PFN

.: האינדקס בטבלת התרגום הנו מספר הדף המדומהתזכורת


דוגמא:.x100100A00הנמצא בכתובת מדומה בתיםDW( 4)תוכנית קוראת משתנה מסוג

?. מה היא הכתובת הפיזית של המשתנה 1. כמה גישות לזיכרון דרוש כדי לקרוא את הערך של המשתנה ?2

:המשתנה של הפיזית הכתובת מציאת1.תרגום הכתובת לבינארי:א-

1 0 0 1 0 0 A 001 000

0000

0000

1000

0000 0 101

0000

0


דוגמא:.x100100A00הנמצא בכתובת מדומה בתיםDW( 4)תוכנית קוראת משתנה מסוג

?. מה היא הכתובת הפיזית של המשתנה 1. כמה גישות לזיכרון דרוש כדי לקרוא את הערך של המשתנה ?2

:המשתנה של הפיזית הכתובת מציאת1.תרגום הכתובת לבינארי:א-

1 0 0 1 0 0 A 001 000

0000

0000

1000

0000 0 101

0000

0

.סיביות 23 הוא PFNה- שדה של גודלו.offest ו-PFN סיביות, והיא מחולקת ל-32גודלה של כתובת פיזית הינו

offset=32-23=9 bit# הוא offsetלכן גודלו של שדה ה-

offsetVPN


:PTEמציאת כתובת ה-

+PTBR 0000 0000 0000 0001 0000 000

=PTE 010 0000 0001 0010 0000 0000

= 0x00 2 0 1 2 0 0

VPN*4 010 0000 0000 0010 0000 0000


.PTEשל ה לכתובת לזיכרון ראשונה גישה נתון). (940001C0הוא 00201200תוכן הכתובת

2

1

3

2

1

3

2

1

3

זיכרון משנידיסק

2

2

1

PTEPTE

940001C0

PT

PT


PTBR

00201200


:PFNמציאת ה- לבינארי PTE, 940001C0-תרגום תוכן ה

9 4 0 0 0 1 C 0

1001 0100 0000 0000 0000 0001 1100 0000

1 0010 1 000 0000 1100 0001 0000 0000 000

31 27 30 26 23 25 0 22

Valid

Protection

Modified

Unused

PFN


הדף נמצא בזכרון הפיזי, וניתן לגשת אליו.V=1היות ו-

כתובת הדף בזכרון הפיזי היא:

PFN)PTE(מתוך ה-

Offset)מהכתובת הוירטואלית(

0000 1100 0001 0000 0000 000 010100000


– להבאת הנתון000380A0גישה שניה לזיכרון לכתובת

2

1

3

2

1

3

2

1

3

זיכרון משנידיסק

2

2

1

PTEPTE

940001C0

PT

PT


PTBR

00201200

000380A0


1שאלה

ומטמון. מדומה פיזי, זיכרון זיכרון עם מחשב נתון

.2nבגודל המדומה הכתובות מרחב•

בתים. לכל בית יש כתובת.2mגודל הזיכרון הפיזי •

בתים.2qגודל דף בזיכרון המדומה הוא •

בתים. 2bגודל בלוק של המטמון הוא •

בלוקים.2cהמטמון יכול להכיל •

.Direct mappedשיטת העבודה של המטמון - •


זה. במחשב מדומה כתובת נראית כיצד א. תארזה. במחשב פיזית כתובת נראית כיצד ב. תאר

ג. איזה שיפור במהירות המחשב ניתן להשיג אם מתכנן המחשב ?q≥b+cידאג לכך שיתקיים

פתרון:, לכן אורך 2nא+ב, מרחב הכתובת המדומה בגודל

ביטים. nהכתובת הוירטואלית הוא ובכל כתובת יש בית, לכן 2mגודל הזכרון הפיסי הוא

ביטים.mאורך הכתובת הפיסית הוא בתים, לכן אורך שדה 2qגודל דף בזכרון המדומה הוא

גם בכתובת המדומה וגם בכתובת הפיסית )כי offsetה- ביטים. q הפיסי( הוא offset המדומה שווה ל-offsetה-


PFN Offset

m-q q כתובת פיזית

VPN offset

n-q q כתובת מדומה )וירטואלית(


בתים, לכן אורך שדה 2bגודל בלוק במטמון הוא ביטים. המטמון b בכתובת פיסית הוא displacementה-

. Direct mapped בלוקים ופועל בשיטת 2cיכול להכיל ביטים.c בכתובת פיסית הוא setלכן אורך שדה ה-

חלוקת הכתובת לשדות היא:

tag set disp

m-b-c c b


( qשדה )offset אז ה-q≥b+c אם מתקיים אי שוויון ג.:disp (b+c) ו- setמכיל בתוכו את השדות

יתכן ביצוע של שני תהליכים במקביל: תרגום כתובת מדומה לפיזית וחיפוש נתון במטמון.

המבוקש הנתון של מיקומו את נידע בו מצב יתקבל כתובתו הוירטואלית של מלא תרגום לפני עוד במטמוןלפיזית.

לפני עוד מהמטמון שהוצא בנתון להשתמש יהיה ניתן המחשב(. המדומה )שיפור מהירות כתובתו תרגום סיום

: לא ניתן לדעת אם הנתון שייך הבעיה שעלולה להיווצרלכתובת הפיסית שתתקבל לאחר התרגום של הכתובת

ים -tagהמדומה או לכתובת פיסית אחרת עקב קבלת שונים.


2שאלה

כתובות.232במחשב מסוים יש זיכרון מדומה של 1.

בתים.213גודל דף של הזיכרון המדומה 2.

מבנה הכניסה בטבלת הדפים:3.

1 bit 1 bit

2 bit 12 bit

M V Unused PFN


היותר(? הפיזי )לכל הזיכרון גודל מהוהדפים? טבלת גודל מהו

ביטים ולכן כמות המסגרות 12 הוא PFNגודל שדה ה-•. הגודל של כל דף 212בזיכרון הראשי היא לכל היותר

בתים, לכן מתקבל 213וירטואלי )ולכן גם של מסגרת( הוא בתים.225=213*212שגודל הזיכרון הפיסי הוא לכל היותר

כתובות )בית בכל 232גודל מרחב הזיכרון המדומה הוא • דפים 219=232/213. ישנם 213כתובת( וגודל הדף הינו

וירטואליים ולכן אותה כמות כניסות בטבלת הדפים.( PTEלמציאת אורך הכניסה בטבלת הדפים )אורך כל •

2 סיביות, כלומר 16=1+1+2+12נסכום את אורך השדות: בתים.220=219*2בתים. גודל טבלת הדפים הוא


זמנית בו לרוץ יכולים תהליכים כמההמעבד? גבי על

מספר התהליכים שיכולים לרוץ בזיכרון בו זמנית הוא לכל היותר כמספר טבלאות התרגום פחות אחד )כדי שיהיה

גם מקום בזיכרון לדפים(.

255

20

Physical Memory Size 2Max # of Page Tables = 2 32

Page Table Size 2

תהליכים יכולים לרוץ במקביל.31לכל היותר


הוחלט PTבניסיון לחסוך זיכרון פיזי הנדרש ע"י ה-להחזיק טבלה בה יש כניסה לכל מסגרת פיזית. אילו

שדות צריכה להכיל טבלה כזו?

נחזיק טבלת תרגום הפוכה, כלומר לכל מסגרת בזיכרון כמו . VPN, Valid, Modifiedהפיזי נחזיק את השדות: (למשל) 2) כי דף מספר PIDכן נחזיק מזהה תהליך (

יכול להיות שייך לתהליך א' או לתהליך ב'.


, 2בהנחה שגודל כניסה חייב להיות חזקה של כמה דפים פיזיים נצטרך כדי להחזיק את כל

הטבלה ? )של הסעיף הקודם(

ביטים 19 דפים ווירטואליים לכל תהליך, כלומר דרושים 219ישנם ובכדי Modifiedביט אחד ל- , Validביט אחד ל- , VPNלשדה

ביטים עבור מזהה התהליך. 11 נחזיק 2להשלים לחזקה שלמה של בתים.4 ביטים = 32גודל הכניסה בטבלה החדשה יהיה

1 bit 1 bit 19 bit 11 bit

V M VPN Process id

מסגרות 212יש מספר הכניסות הוא כמספר המסגרות הפיזיות. 214=212*4 בתים ולכן גודל הטבלה החדשה 4פיזיות, גודל כל כניסה

בתים.


מה היתרונות ואילו בעיות צפויות עם מימוש זה?

היתרון בטבלה החדשה הוא חסכון במקום. גודל כל דף 214 בתים, גודל הטבלה החדשה הוא 213וירטואלי הוא

מסגרות בזיכרון.2=214/213ולכן הטבלה תתפוס רק

הבעיה הצפויה בשימוש בטבלה החדשה היא חיפוש שימש VPN. אם בטבלה הישנה VPN בהינתן PFNשל

כאינדקס כניסה, בטבלה החדשה נצטרך לסרוק את כל הנתון VPNהכניסות, לבדוק את מזהה התהליך ואת ה-

. הדרושPFNואז אינדקס הכניסה שמצאנו יהיה ה-כלומר חסכנו מקום ופגענו ביעילות.


backups


רשימת ראשי תיבות

PFN (Physical Frame Number) ,אחת המסגרות בזיכרון הפיזי - .שיכולה להכיל דף וירטואלי

VPN (Virtual Page Number ) - תהליך של הוירטואלי מספר הדף .מסוים

Offset - אליו המסוים המקום עד הדף לקפוץ מתחילת צריך כמה .בדף לגשת רוצים

PT (page table)( טבלה שמקשרת בין מספר דף וירטואלי – VPN )לבין הסטטוס והמיקום שלו.

PTE (page table entry) -שורה ב – PTPTBR (Page Table Base Register) רגיסטר שמצביע על טבלת –

הדפים של התהליך שרץ כרגע


זיכרון וירטואלי עם מטמון

(c) yohai devir234267 - january 20061 מבנה מחשבים ספרתיים 234267 זכרון...

Documents