Bài giảng Hệ điều hành (Operating Systems) - Nguyễn Phan Trung - Chương 7: Virtual Memory (Bộ nhớ ảo)

Chương 7 Virtual Memory(bộ nhớ ảo) Mục đích và yêu cầu Mục đích: Nắm được khái niệm phân trang và phân đọan. Hiểu được cơ chế quản lý bộ nhớ ảo Yêu cầu: Nắm được các chiến lược quản lý và thể hiện được các giải thuật cung cấp frame. Nội dung Thông tin cơ bản - Background Phân trang theo yêu cầu – Demand Paging Thay trang – Page Replacement Phân phối các Frames – Allocation of Frames Thrashing Phân đoạn theo yêu cầu – Demand Segmentation Thông tin cơ bản Virtual memory – sự tách riêng của bộ nhớ logic (của user) khỏi bộ nhớ vật lý Kích thước bộ nhớ vật lý có hạn => nó giới hạn kích thước chương trình. Thực tế, chỉ cần 1 phần của chương trình cần phải đưa vào bộ nhớ (vật lý) để thực hiện => có thể chứa chương trình ở đâu ?- virtual memory. Do đó ko gian địa chỉ logic có thể lớn hơn ko gian địa chỉ vật lý rất nhiều => cung cấp bộ nhớ rất lớn cho người lập trình. Cho phép 1 số process chia sẻ ko gian địa chỉ. Cho phép tạo process hiệu quả hơn. Bộ nhớ ảo có thể được thực hiện thông qua: Demand paging (windows, linux) Demand segmentation (IBM. OS/2) Bộ nhớ ảo lớn hơn bộ nhớ vật lý Phân trang theo yêu cầu Đưa một trang vào bộ nhớ chỉ khi nó được cần đến: Cần ít thao tác vào ra hơn Cần ít bộ nhớ hơn Đáp ứng nhanh hơn: process bắt đầu ngay sau khi số trang tối thiểu được nạp vào bộ nhớ. Nhiều user/process hơn do mỗi process dùng ít bộ nhớ hơn Khi trang được cần đến (khi process tham chiếu đến nó) Tham chiếu ko hợp lệ => hủy bỏ Ko trong bộ nhớ => đưa vào bộ nhớ Có trong bộ nhớ => truy nhập Chuyển một vùng nhớ phân trang tới không gian ổ đĩa Valid-invalid Bit Bảng phân trang khi 1 số trangko ở trong bộ nhớ chính Page Fault Khi có tham chiếu tới trang, đầu tiên tham chiếu sẽ lập bẫy với Os => phát hiện page fault Os tìm trong bảng khác để quyết định: Tham chiếu ko hợp lệ => hủy bỏ Không có trong bộ nhớ => đưa vào bộ nhớ Nhận Frame rỗi Copy/Hoán đổi trang vào frame Cập nhật lại bảng phân trang (thiết lập v-inv bit =1), cập nhật danh sách frame rỗi. Khởi động lại lệnh. Các bước xử lý Page Fault Điều gì xẩy ra khi ko có frame rỗi Thay trang – tìm một số trang trong bộ nhớ nhưng đang ko được sử dụng để đưa ra ngoài. Giải thuật? Hiệu năng? – muốn có 1 giải thuật tác động đến số lượng tối thiểu page faults. Một trang có thể được đưa vào bộ nhớ nhiều lần. Hiệu năng của phân trang theo yêu cầu Tỷ lệ Page Fault – p : 0≤ p ≤ 1 P=0 ; ko có page fault P=1 ; mọi tham chiếu đều là fault Thời gian truy nhập hiệu quả -Effective Access Time (EAT) 	EAT = (1-p)x ma + px(thời gian xử lý page fault) Trong đó: + ma: memory access – thời gian truy nhập bộ nhớ (10-200 ns) + Thời gian xử lý page-fault: gồm 3 vấn đề chính Phục vụ ngắt page fault (1-100 μs, có thể giảm bằng coding) Đọc trang vào bộ nhớ (khoảng 25 ms) Khởi động lại process (1 – 100 μs, có thể giảm bằgn coing) Ví dụ Thời gian xử lý page-fault 25ms Thời gian truy nhập bộ nhớ (ma): 100 ns EAT =(1-p) x 100 + p x 25,000.000	ns. = 100 + 24,999.990 x p	 	ns EAT tỷ lệ thuật với page fault, nếu p càng lớn thì EAT càng lớn  máy càng chậm Muốn hiệu năng giảm dưới 10% ta cần có 110 > 100 + 25.000.000 x p  p < 0.0000004 Page Replacement (thay trang) Các bước thay trang: Tìm vị trí của trang được yêu cầu trên đĩa. Tìm 1 frame rỗi: Nếu có frame rỗi thì sử dụng nó Nếu ko có, sử dụng giải thuật thay trang để chọn 1 frame nạn nhân. Đọc trang được yêu cầu vào frame rỗi. Cập nhật bảng phân trang và bảng quản lý frame rỗi Khởi động lại process Quá trình thay thế trang nhớ Các giải thuật thay trang Mục tiêu: giảm thiểu tỷ lệ page fault thấp nhất Đánh giá giải thuật bằng cách chạy nó trên một chuỗi riêng biệt các tham chiếu bộ nhớ và tính số page fault trên chuỗi đó. Các giải thuật thay thế trang phụ thuộc vào resident set (số frame cấp cho mỗi process) Trong tất cả các ví dụ. Chuỗi tham chiếu là 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5. Least Recently Used (LRU) Giải thuật FIFO Giải thuật Clock (second–chance) Vì dụ về giải thuật clock So sánh Clock, FIFO và LRU Mô hình tần suất Page-Fault Ưu điểm của bộ nhớ ảo Câu hỏi và bài tập Miêu tả cơ chế phân trang và phân đọan? Mục đích của phân trang. Phân đọan là gi? Ưu điểm của bộ nhớ ảo? Dưới tình huống nào các “fault” trang xuất hiện? Miêu tả các hành động của hệ điều hành khi một lỗi trang xuất hiện. Làm các bt 10.11 và 10.16 trong sgk, làm các bt theo các giải thuật thay thế trang LRU, FIFO,OTP