Speicherverwaltung
Die Speicherverwaltung oder Hauptspeicherverwaltung ist ein Teil des Betriebssystems und erledigt alle erforderlichen Arbeiten zur Verwaltung des physikalischen und des virtuellen Speichers eines Computers.
Virtuelle Speicherverwaltung
- Ein Prozess sollte auch dann noch ablaufen können, wenn er nur teilweise im Hauptspeicher ist.
- Wichtig ist, dass die Teile des Prozesses (Daten und Code) im physikalischen Speicher sind, die gerade benötigt werden.
- Der Speicherbedarf eines Prozesses sollte größer als der physikalisch vorhandene Hauptspeicher sein können.
Ein Seitenrahmen versteht man einen zusammenhängenden Block von Speicherzellen des physikalischen Speichers.
Eine Seite ist ein Block von Speicherzellen des virtuellen Speichers. Blockgröße einer Seite ist Größe eines Seitenrahmens.
- alle Seiten eines Systems haben stets die gleiche Größe
die Aufgabe der MMU besteht in der Umrechnung von virtuellen in physikalische Adressen
Seitentabellen
- werden benötigt, damit MMU die Umrechnung einer virtuellen Adresse in eine physikalische Adresse vornehmen kann
- Für jeden vom Betriebssystem zu verwaltenden virtuellen Adressraum gibt es jeweils eine zugehörige Seitentabelle
- Jeder Prozess besitzt seine eigene Seitentabelle!
- MMU prüft in der Seitentabelle des aktuellen Prozesses den Eintrag an entsprechenden Stelle aus der virtuellen Adresse.
- Ist
P/A-Bit = false (0), kommt es zu Page-Fault (Seitenfehler)- Liegt daran, dass noch keine physische Seite eingelagert wurde
- Die Seite muss vom DMA-Controller in den RAM-Speicher geladen werden
- Ist der RAM bereits voll, kommen Seitenersetzungsverfahren ins Spiel.
- Ist das dann
P/A-Bit = true (1), kann die Rahmennummer aus der Tabellenzeile entnommen werden. - MMU guckt sich sich bei 0000 das present absent bit an, weil es eine 1 ist, kann es umgerechnet werden
- wird im RAM bei 001 abgespeichert
- wenn die fetch Phase beendet ist, wird der PC um 1 hochgesetzt und auf 0000001 gesetzt
- so viel wie in Seitenrahmen reinpasst muss der DMA-Controlller kopieren
- bei Pagefault wird der Prozess auf blocket gesetzt, da er so nicht weiterarbeiten kann
- wenn alle Daten im Ram sind wird ein Interrrupt eingestellt und es geht auf Ready
- Prozess kann mit den Daten im Ram arbeiten und wenn Sceduler den Prozess wieder nimmt geht es wieder in Running
KONTEXTWECHSEL
- Wert des PC wird überschrieben mit Wert vom virtuellen Speicher B
- In Seitentabelle wird gesehen das absent 0 ist ->Seitenfehler -> muss in Ram eingelagert werden (egal welche Stelle)
- Present wird zu Absend
- in 111 wird der Wert des PC gespeichert
DLL Datein sorgen dafür, dass weniger Speicher gebraucht wird
Swapping und Paging
Unter Swapping versteht man das Aus- bzw. Einlagern eines kompletten Prozesses.
Swapping kommt nur bei Betriebssystemen zum Einsatz, die keine virtuelle Speicherverwaltung unterstützen!
eine Alternative zur virtuellen Speicherverwaltung mit Hilfe der MMU, ist das Paging, welches flexibler als Swapping agiert.
Unter Paging versteht man das Ein- bzw. Auslagern von Teilen eines Prozesses.
- Eine Seite enthält einen bestimmten Teil eines Prozesses.
- Die Gesamtheit aller Seiten eines Prozesses repräsentiert somit den kompletten Prozess.
- Eine (virtuelle) Seite kann einerseits in einem (physikalischen) Seitenrahmen eingelagert sein.
- befindet sich die Seite im RAM und der zugehörige Prozess kann auf die Befehle Daten innerhalb der Seite zugreifen.
- Zum Einsatz kommt hier die Adressumrechnung mit Hilfe von MMU und Seitentabelle.
- Andererseits kann eine (virtuelle) Seite auf einen Hintergrundspeicher (wie beispielsweise die Festplatte) ausgelagert sein.
- so steht die Seite nicht im RAM zur Verfügung, Zugriff des Prozesses auf Befehle schlägt fehl ->Page fault
- ausgelagerte Seite muss vom Hintergrundspeicher in Seitenrahmen eingelagert werden.
- Anschließend kann die Adressumrechnung mit Hilfe von MMU und Seitentabelle.
Page Fault
Page fault tritt auf, falls die MMU bei der Umrechnung einer virtuellen in eine physische Adresse feststellt, dass die benötigte (virtuelle) Seite nicht in einem (physischen) Seitenrahmen eingelagert ist.
Seitenersetzung
Tritt Seitenfehler auf, lagert BS virtuelle Seite aus Hintergrundspeicher in freien Seitenrahmen des physikalischen Speichers
- Entscheidend ist bei der Einlagerung, ob es einen freien Seitenrahmen gibt
- Falls ja: dieser für die Einlagerung der benötigten Seite genutzt werden
- Falls nein: Seitenersetzung entscheidet, welche momentan eingelagerte virtuelle Seite in HS verschoben wird
Was bei der Seitenersetzung passiert
- Die MMU stellt fest, dass virtuelle Seite B nicht in Seitenrahmen eingelagert ist und löst einen Seitenfehler aus.
- Es wird festgestellt, dass kein freier Seitenrahmen verfügbar ist, das Seitenersetzungsverfahren wird deshalb gestartet.
- Die zu ersetzende Seite E wird bestimmt, sie ist derzeit in Seitenrahmen X eingelagert.
- Die zu ersetzende Seite E wird in den Hintergrundspeicher geschrieben,. damit ist ihr Inhalt gesichert
- Die benötigte Seite B wird eingelagert, ihr Inhalt wird in den Seitenrahmen X geschrieben
Schreiben der zu ersetzenden Seite E in den Hintergrundspeicher kostet viel Zeit! Das ist schlecht für das Gesamtsystem.
→ sinnvoll, eine zu ersetzende Seite nur dann in den Hintergrundspeicher zu kopieren, wenn dies auch tatsächlich notwendig ist.
Das Modifiziert-Bit
→ BS kann mit dem M-Bit feststellen, ob die Inhalte einer eingelagerten Seite modifiziert und zum auslagern bereit sind
- Das M-Bit ist gesetzt, also 1:
Der Inhalt der zugehörigen Seite wurde modifiziert.
- Das M-Bit ist nicht gesetzt, also 0:
Der Inhalt der zugehörigen Seite wurde nicht modifiziert.
Seitenersetzungsverfahren → Paging
Die optimale Seitenersetzung kann nicht programmiert werden.
No Recently Used→ Welche Seite wurde in der Vergangenheit am längsten nicht genutzt?
Für jede einzelne Seite wird mit Hilfe eines einzelnen Bits festgehalten, ob die betreffende Seite referenziert wurde.
- Das R-Bit ist gesetzt, also 1:
Inhalt der Seite wurde referenziert, es wird verwendet. - Das R-Bit ist nicht gesetzt, also 0:
Inhalt der Seite wurde nicht referenziert, es wird nicht verwendet.
First-In-First-Out
→ Die Seiten, die zuerst im RAM gespeichert wurden, werden als erstes überschrieben.
In der Praxis hat dieses Verfahren keine Bedeutung, da die ausgelagerte Seite oft benötigt wird → hohen Zahl an Seitenfehlern
Working Set
bei vielen nacheinander auf der CPU ausgeführten Befehlen werden nur wenig verschiedene virtuelle Seiten angesprochen
→ versucht, alle zum Working Set eines Prozesses gehörenden Seiten ständig im Hauptspeicher zu halten
Second Chance
er prüft, ob diese Seite in der letzten Zeit auch angesprochen wurde.
- Falls nein: sie wird ersetzt
- Falls ja: wird mit der am zweitlängsten eingelagerten Seite fortgefahren.
- Auch hier wird zunächst geprüft, ob Seite in der letzten Zeit angesprochen wurde.
- Usw.
Shared Memory
Mehrere Prozesse sollen die Möglichkeit haben, dass bestimmte Speicherbereiche gemeinsam genutzt werden können.
Dies ist eigentlich nicht erwünscht! Grund ist: RAM kann man nie genug haben
Beispiel:
Was passiert nun, wenn das gleiche Programm mehrmals gestartet wird? Dann resultieren daraus auch mehrere Prozesse.
Wenn für jeden Prozess der gleiche Programmtext in unterschiedliche Bereiche des Hauptspeichers eingelagert: Redundanz
gemeinsam genutzte Speicher entspricht einem bestimmten Seitenrahmen des physikalischen Speichers (z.B: DLL-Dateien)
Dieser eine Seitenrahmen kann nun sehr einfach in alle virtuellen Adressräume der beteiligten Prozesse eingebunden werden
-> Nötig ist dazu allein ein entsprechender Eintrag in allen betreffenden Seitentabellen.
Bedenke: Jeder Prozess besitzt seinen eigenen virtuellen Speicher und damit auch seine eigene Seitentabelle!