Bloque 2. Administración de memoria

Bloque 2

Administraciรณn de la memoria

Administraciรณn Sistemas Operativos

Conceptos Importantes

ร NDICE 2.1. Administraciรณn de la memoria sin intercambio o paginaciรณn 2.1.1. La organizaciรณn y gestiรณn de la memoria. Conceptos generales 2.1.2. Monoprogramaciรณn sin intercambio o paginaciรณn 2.1.3. Gestiรณn de la memoria en los sistemas multiprogramados 2.1.4. Asignaciรณn de memoria contigua 2.1.4.1. Particiones estรกticas 2.1.5. Protecciรณn 2.1.6. Multiprogramaciรณn con particiones variables 2.1.7. Administraciรณn de la memoria con mapas de bits 2.1.8. Administraciรณn de la memoria con listas ligadas 2.1.9. Intercambio (swapping) 2.1.10. Asignaciรณn del Hueco de Intercambios 2.1.11. Anรกlisis de sistemas con intercambio 2.2. Memoria virtual 2.2.1. Esquema general de traducciรณn 2.2.2. Conceptos Bรกsicos de Paginaciรณn 2.2.3. Paginaciรณn 2.2.4. Tablas de pรกginas 2.2.5. Ejemplos de hardware para paginaciรณn 2.2.6. Memoria asociativa 2.2.7. Tablas de pรกginas invertidas 2.3. Algoritmos de reemplazo de pรกginas 2.3.1. El algoritmo de reemplazo de pรกginas รณptimo 2.3.2. El algoritmo de reemplazo de pรกginas segรบn el uso no tan reciente 2.3.3. El algoritmo de reemplazo "Primero en entrar, primero en salir" (FIFO) 2.3.4. El algoritmo de reemplazo de pรกginas de la segunda oportunidad 2.3.5. El algoritmo de reemplazo de pรกginas del reloj 2.3.6. El algoritmo de reemplazo de pรกginas "la de menor uso reciente" 2.3.7. Simulaciรณn del algoritmo

Bibliografรญa

MEMORIA ➢ La

memoria es un recurso importante que se debe administrar con cuidado. ➢ La parte del sistema operativo que administra la jerarquía de memoria se denomina administrador de memoria.

PROGRAMADOR ➢ Idealmente,

lo que a todo programador le gustaría es una memoria infinitamente grande y rápida que además no sea volátil, es decir, que no pierda su contenido cuando se interrumpa la alimentación eléctrica.

Administración de la memoria en los sistemas monoprogramados  Los sistemas monoprogramados permiten la ejecución de un solo programa a la vez, adueñándose de la totalidad de los recursos del sistema.  Tres formas de organización de la memoria RAM, con un sistema operativo y un proceso de usuario. Todo el programa es cargado a memoria para su ejecución.  El programa es cargado en memoria y permanece en ella hasta que finaliza PC de IBM OxFF…

Programa de usuario

Núcleo en RAM

Núcleo en ROM

OxFF…

Controladores de dispositivos en ROM

‫ﻝ‬

Sistema Operativo en RAM

Sistema Operativo

Programa de usuario

OxFF…

Programa de usuario

Programa de usuario ‫ﻝ‬

BIOS

Dirección del registro limite

CPU Registro limite

Protección de la Memoria

‫ﻝ‬

Administración de la memoria en los sistemas multiprogramados Los sistemas multiprogramados o multitarea aprovechan los tiempos de inactividad del CPU para permitir la ejecución de varios programas simultáneamente.

Los problemas que aparecen en los sistemas multiprogramados y/o multiusuarios son: 1.

2.

d1

Proceso 1 d2

El momento de escribir un programa no se sabe en qué zona de memoria se ubicará, siendo posible que durante la vida de un proceso éste cambie varias veces de lugar.

Proceso 2

La protección de las zonas de memoria ocupadas por los procesos, máxime en sistemas multiusuario donde los procesos pueden pertenecer a distintos usuarios.

Proceso n

d3

Proceso 3 d4

●●●

●●●

3.

Llevar un recuento de las zonas de memoria ocupadas por los procesos. ¿Qué proceso ocupa cual espacio?.

Núcleo del S.O 512

dm

Direcciones de memoria

Gestión de Memoria Los requisitos que se intentan satisfacer en la gestión de la memoria en los sistemas donde se emplea la multiprogramación o los sistemas multiusuarios son: 1. Reubicación.

2. Protección.

3. Compartición.

4. Organización lógica.

5. Organización física.

Memoria Virtual

Reubicación Compartición

Protección, organización física y lógica

Memoria Principal

Asignación de memoria contigua

Particiones estáticas Organización de la memoria: Núcleo del S.O 512

La memoria se divide en regiones con límites fijos, con dos alternativas:

512 k

1. particiones igual tamaño o

512 k

2. particiones de diferentes tamaños.

Núcleo del S.O 512 128 k

256 K 320 k

512 k

512 k 512 k 512 k 512 k 512 k

Asignación de procesos a la memoria: Se pueden tener dos esquemas de asignación de memoria en particiones estáticas utilizando colas de procesos: 1. Colas de planificación para cada partición.

2. Una cola de planificación para la memoria (mayor eficiencia)

576 k 768 k 1M

Asignación de memoria contigua

Particiones estáticas

Los trabajos se traducían mediante compiladores y ensambladores absolutos, para ejecutarse en una partición específica Proceso del S.O. 128 K

Sistema operativo 512

Proceso A 128 K Proceso B 256 K Proceso C 640 K

512 k

Listo s

512 k 512 k

Solicitud para entrar al sistemas

384 k

512 k

Termina evento

Espera evento

384 k

Memoria

Interrupción de reloj

Interrupción de reloj

Bloqueado s

512 k

Listos Suspendid os

¿Cuántos procesos Pueden colocarse en memoria secundaria?

Ejecució n

secundaria

512 k 512 k

256 k

Bloqueados Suspendid os

1024 K

Una vez introducido un proceso en una partición, permanece en ella hasta su finalización aunque se encuentren libres otras particiones. Esto provoca una pérdida de eficiencia

Asignación de memoria contigua

Particiones estáticas Sistema operativo

Procesos nuevos

Algunas colas estarán saturadas por procesos que tienen un tamaño similar a la partición mientras que otras estarán vacías o semivacías

Procesos nuevos

Cuando un proceso se introduce en una partición, lo más probable es que su tamaño no sea el mismo (es decir, sea algo menor) que el de la partición. Esto origina un problema de desperdicio de memoria conocido como fragmentación interna.

Sistema operativo

Asignación de memoria contigua

Particiones estáticas

Procesos nuevos

Sistema operativo 512 128 k

Sistema operativo 512 128 k

256 K 320 k

256 K 320 k

512 k

512 k

576 k

Procesos nuevos

576 k

768 k

768 k

1M

1M

Se minimiza la partición interna porque cada proceso es asignado a la partición más pequeña. Para ello se supone que se conoce el tamaño de la cantidad de memoria que ocupa un proceso lo cual no siempre es cierto.

Memoria RAM

Dirección relativa Dirección real

● ● ●

CPU

●

Registro Base (RB) 10000 Acumulador (A) 100

Ejecución de la instrucción del proceso

MMU RB + A

10000 0

100

Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl

Proceso Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl Askdlkelirlekrlkerklerlkerlkerl kertlkertlertlertjlekrtlekrtlkertl etjl

10100

Programa

● ● ●

Datos BCP

PROCESO

Información sobre las direcciones reales

● ● ●

Pila

● ● ●

Enviado por el BUS

La traducción de las direcciones virtuales a reales es implementada por una Unidad de Manejo de Memoria (MMU).

Asignaciรณn de memoria contigua

Particiones dinรกmicas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Memoria Virtual G

A

A

A No hay espacio

F B

C

C

C

E

E

D

A, F, C o E

Pasar temporalmente un proceso para dar oportunidad a un nuevo proceso para ejecutarse

Asignación de memoria contigua

Particiones dinámicas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

A

A

A

El continuo ingreso y salida de los procesos producen huecos en la memoria demasiado pequeños para que un proceso pueda colocarse. A este tipo de fragmentación se le conoce como fragmentación externa.

F B

C

C

C

E

E

D

La recuperación de los huecos de memoria puede llevarse a cabo por medio de la técnica de compactación donde los espacios disponibles de memoria son colocados en la parte inferior y los procesos en la parte superior.

Sin embargo, este proceso es demasiado lento y posiblemente no justifique el consumo de recursos, debido a que el sistema debe estar inactivo para poder realizar la compactación.

Asignación de memoria contigua

Particiones dinámicas A

Estrategias de colocación F

Primer ajuste. Primera partición de memoria que se encuentre libre.

C H E

G

Mejor ajuste. Busca y asigna la partición de memoria que mejor se ajuste al tamaño del proceso tratando de dejar libre la menor cantidad de memoria Peor ajuste. Se busca y asigna la partición de mayor tamaño para dejar libre la mayor cantidad de memoria para que pueda colocarse otro proceso en ella.

Administración de memoria particiones estáticas

¿Cómo se lleva el control de la memoria que se encuentra disponible y aquella que esta ocupada?

Partición estática.

Es suficiente con guardar en una tabla la información sobre la partición que está libre o que está ocupada y qué proceso se encuentra en ella, así como la direcciones de comienzo y fin de la partición.

Tabla de administración de la memoria No. de partición

Libre/ ocupada

Id del Proceso

Inicio de la partición

Fin de la partición

Partición dinámica pueden ser implementada por 1. Mapa de bits.

2. Listas enlazadas.

3. Sistema de los asociados.

Administración de memoria particiones dinámicas Mapas de bits

Listas enlazadas La lista esta compuesta por los siguientes campos: ▪ Bit que representa un proceso o una partición disponible.

▪ Numero de bloque de inicio.

▪ Numero de bloques utilizados.

▪ Puntero al siguiente nodo en la lista.

Se divide la memoria en bloques de cierto tamaño y se mantiene en memoria una tabla donde cada bit se utiliza para identificar un bloque ocupado (1) o libre (0).

Ventajas:

Si las particiones son muy pequeñas se tendrá un mapa de bits muy grande y viceversa.

Desventaja: La búsqueda del un hueco que pueda satisfacer la solicitud de memoria para un proceso es lento. La solución puede ser la creación de dos listas enlazadas, una para los procesos y otra para los espacios libres. Esto provoca que se dé mantenimiento a dos listas cuando un proceso termina y cuando se otorga memoria a otro proceso.

Longitud

Inici o P

La actualización de la lista enlazada es directa.

A 0

5

●

Hueco o proceso

H

5

B 3

●

H

18

P

8

2

●

C 6

D

●

P

P

20

14

6

●

4

E ●

P

26

3

●

H

29

3

X

Administración de memoria particiones dinámicas

P 56 K

Sistemas asociados

Consiste en tener la memoria inicialmente como un gran espacio libre que se irá particionado en múltiplos de potencia de 2 cada vez que un proceso haga la solicitud de memoria.

6 4 K

1 MB

6 4 K

128 K

512 KB 256 KB

6 4 K

B

6 4 K

128 K

6 4 K

6 4 K

6 4 K

128 K

256 K

6 4 K

6 4 K

128 K

6 4 K

6 4 K

128 K

6 4 K

128 K

6 4 K

6 4 K

128 K

256 K

256 K

256 K

128 KB

P

512 K

512 K 1M

6 4 K

6 4 K

128 K

Soporte del Hardware para la reubicación.

Dirección Relativa o lógica Acumulador

Memory Management Unit

La Unidad Manejadora de Memoria (MMU) realiza la traducción de las direcciones relativas en direcciones físicas en la memoria principal.

Registro Base

Imagen de un Proceso en Memoria Principal Bloque de control de Proceso

Código Sumador

Datos Pila

Registro Límite

Comparador

Dirección Absoluta, física o real

Interrupción al Sistema Operativo

Para el intercambio de procesos entre la memoria real y la memoria virtual se requiere un mecanismo que reubique los procesos sin perder las referencias que se hacen dentro de él. Los programas que emplean direcciones relativas se cargan mediante cargadores dinámicos durante la ejecución.

Memoria virtual Los ordenadores modernos normalmente tienen un tamaño de palabra de 16, 32 ó 64 bits.

Paginación 1.

1

Cada página consiste en z palabras contiguas

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1

Programa XYZ Palabra 0

Página 0 Palabra z

2.

Un espacio de direcciones N de un programa consiste de n páginas (0,1,2,3…n-1) (n*z direcciones virtuales)

palabra Program a XYZ

Palabra 0 Página 1 Palabra z Palabra 0

Palabra z Palabra 1 Página n-1 Palabra z

Marco 0

Página n-1

Marco n1

Página

La técnica de paginación simple es similar a la partición estática.

Las diferencias están en que, con paginación las particiones son más pequeñas, un programa puede ocupar más de una partición y éstas no tienen por qué estar contiguas.

Página 0

Página

Memoria

3.

el espacio de memoria consiste de m marcos de paginas (0,z,2z,…,(m1)z)(m*z posiciones)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

(a) 15 páginas libres

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

A.0 A.1 A.2 A.3

b) Carga del proceso A

Tablas del páginas del Proceso A

0 1 2

----

A.0 A.1 A.2 A.3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

B.0 B.1 B.2

c) Carga del proceso B Tablas del páginas del Proceso B

0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

A.0 A.1 A.2 A.3 B.0 B.1 B.2 C.0 C.1 C.2 C.3

d) Carga del proceso C

7 8 9 10

Tablas del páginas del Proceso C

A.0 A.1 A.2 A.3

C.0 C.1 C.2 C.3

e) Expulsión del proceso B

0 1 2 3 4

4 5 6 11 12

Tablas del páginas del Proceso D

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

A.0 A.1 A.2 A.3 D.0 D.1 D.2 C.0 C.1 C.2 C.3 D.3 D.4

f) Carga del proceso D

13 14 Listas de marcos libres

Una dirección virtual a es equivalente a una dirección dada como una dupla (p, d), en la cual p es el número de la página y d el número de la palabra dentro de la página Palabra de 16 bits

a =( p , d )

0000010111011110 Página de 1024 bits = 1 K

Palabra 0 Página 0 Palabra z Palabra 0

Marco 0 No. de página de 6 bits

Página 1

Desplazamiento de 10 bits

Palabra z Palabra 0

Palabra z Palabra 1 Página n-1

0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0

Dirección lógica de bits

0 1

Palabra z

2

00010 1 00011 0 00010 1

0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0

Dirección física de 16 bits

Memoria Asociativa

 En la práctica es necesario que la mayoría de los accesos a memoria no impliquen una consulta a la tabla de páginas, sino que únicamente requieran el acceso a la posición solicitada. Esto se logra mediante el uso de una memoria asociativa interna en la MMU que mantiene información sobre las últimas páginas accedidas.  Esta memoria asociativa es considerada memoria cache especial de alta velocidad.

Proceso P1

Páginas compartidas

Otra ventaja de la paginación es la posibilidad de compartir programas de uso común. Esta técnica resulta sumamente

importante

en

un

ed1

3

ed1

4

ed1

6

Datos 1

1

0

Tabla de Páginas P1

ProcesoP2 ed1

3

ed1

4

ed1

6

Datos 1

7

como compiladores, ensambladores y sistemas de base de datos. Para que sean compartibles, el código debe

ser

reentrante

(no

automodificable), es decir, el código es sólo de búsqueda o sólo lectura.

Datos 1

2

Datos 3

3

ed1

4

ed2

5

Tabla de Páginas P2

entorno de tiempo compartido. Se pueden compartir desde editores

1

6

ed3

7

Datos 2

8

ProcesoP3 ed1

3

ed1

4

ed1

6

Datos 1

2

9

Tabla de Páginas P3

1 0

Memoria virtual

Segmentación

pila

subrutina

1400

Segmento 3

La segmentación es un esquema de administración de la memoria que

la

misma.

Un

espacio

de

Segmento 0

Tabla de símbolos Segmento 0

Segmento 4

soporta la visión que el usuario tiene de

2400

Sqrt

direcciones lógicas es una colección

3200 Segmento 3

Programa principal

4300

Segmento 2

4700

de segmentos. Cada segmento tiene

Segmento 2

Segmento 1

un nombre y una longitud.

Segmento 4

Las direcciones especifican tanto el

nombre

del

segmento

desplazamiento

como

dentro

el del

segmento. Por lo tanto, el usuario especifica cada dirección mediante dos

cantidades:

un

nombre

segmento y un desplazamiento.

de

Límite

Base

5700

0 1

1000 400

1400 6300

6300

2

400

4300

3 4

1100 1000

3200 4700

Tabla de segmentos

6700

Segmento 1

Memoria virtual

Segmentación La segmentación simple siempre hace uso de una tabla de segmentos para cada proceso y una tabla de segmentos en la memoria principal. La tabla de segmentos para un proceso contiene la dirección física de comienzo del segmento y la longitud máxima de éste (como medida de protección, para evitar referencias a segmentos que no corresponda).

Tabla de segmentos

s s

d

Limite

Base

Memoria

CPU

sí

< no interrupción

+

En forma análoga a la paginación, el proceso de traducción de direcciones en la segmentación, consiste en los siguientes pasos: 1. Extraer el número de segmentos de los n bits más significativos de la dirección lógica.

2. Emplear el número de segmentos como índice en la tabla de segmentos del proceso para obtener la dirección física de comienzo del segmento.

3. Comparar el desplazamiento expresado en los m bits menos significativos de la dirección lógica con la longitud del segmento, si es mayor, la dirección no es válida.

4. La dirección física buscada es la suma de la dirección física del inicio del segmento más el desplazamiento.

Dirección lógica de 16 bits No. de página de 4 bits

Desplazamiento de 12 bits

Cuando un proceso se introduce en memoria, se cargan todos sus segmentos en regiones de memoria libres y se crea la tabla de segmentos.

0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0

0

001011101110

0000010000000000

1

011110011110

0010000000100000

+

Longitud

Base Tabla de segmentos del proceso

0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0

Ventajas de la segmentación

1.Generalmente, el programador no conoce realmente el tamaño que utilizará una estructura de datos, luego si ésta tiene asignado un segmento podrá ser expandido o reducido según sus necesidades.

2.Los programas pueden ser compilados de manera independiente aunque sean módulos de otros programas.

3.Varios procesos pueden compartir segmentos, por si desean compartir datos.

4.Se pueden proteger los programas o datos asignando privilegios de acceso a los segmentos.

Combinación entre paginación y segmentación

Las combinaciones entre paginación y segmentación son las siguientes: 1.Memoria no segmentada y no paginación: La dirección virtual es la misma que la dirección física.

2.Memoria paginada no segmentada: La memoria es un espacio de direcciones paginado.

3.Memoria segmentada no paginada: La memoria es un conjunto de direcciones lógicas.

4.Memoria segmentada paginada: La segmentación define particiones lógicas de memoria y la paginación gestiona la asignación de memoria dentro de las particiones.

EN

RESUMENâ&#x20AC;¦

https://bubbl.us/NDkzODk3OC85NDUwNDI4LzNmNDZmMTRjMzZkYmM3MWIxMTE5ZjQ2ODViZjM2OTZk-X

Bibliografía 1. Tanenbaum, Andrews. (1998). Sistemas implementación. Prentice hall: USA.

operativos:

diseño

e

2. Coulouris, Geroge. Dollimore, Jean. Kinderberg, Tim. (2001). Sistemas distribuidos conceptos de diseño. Addison Wesley: España.

3. Tanenbaum, Andrews. (2001). Sistemas operativos Modernos. 2a. edición. Prentice hall: USA. 4.

William Stallings. Sistemas Operativos, 2da Edición (1997), Prentice Hall España.

5.

A. Silberschatz, J. Peterson, P. Galvin, Sistemas Operativos, conceptos fundamentales, 3ra. Edición (1994) Addison-Wesley Publishing Company USA.

6.

H. M. Deitel, Sistemas Operativos, 2da Edición (1993), Addison-Wesley Publishing Company USA.

Bibliografía Vídeos y/o artículos: 1. Sarmiento,M. Breve historia de los sistemas operativos GNU/Linux y sus principales distribuciones (Parte 1 de 3) (2012). [Fecha de consulta: 20 de octubre de 2018] Disponible Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=12s8XPrIMPg& feature=youtu.be