Práce s pamětí

Note	Paměťová hierarchie. Práce s pamětí, logický a fyzický adresový prostor, správa paměti, virtualizace paměti, segmentace, stránkování. PB152/PB153

Paměťová hierarchie

Od nejrychlejší, nejdražší a zároveň s nejmenší kapacitou:

Registry
Cache
Operační paměť — RAM
Elektronické disky — SSD
Magnetické disky — HDD
Optické disky
Magnetické pásky

Redundant Array of Independent Disks (RAID)

Více disků organizované tak, že se tváří jako jeden logický disk.

Level 0: žádná redundance
Level 1: zrcadlení
Level 2: Hamming code error correction disky
Level 3: 1 kontrolní disk parity
Level 4: block-level striping
Level 5: parita distribuovaná napříč disky
Level 6: dvojí parita distruovaná napříč disky

Práce s pamětí

Data jsou uložena v persistentních a energeticky nezávislých pamětích. Při spuštění procesu, je jeho binárka nahrána do operační paměti. Proces může OS žádat o více paměti (alokace), kterou by pak měl také vracet (dealokace).

Fyzický adresový prostor (reálný)

Operační paměť, kterou OS skutečně má. Dán velikostí RAM. RAM akceptuje fyzické adresy.

Logický paměťový prostor (virtuální)

Operační paměť, o které OS předstírá, že ji má. Je tak velká jako rozsah procesorového slova (obvykle $2^{32}$ nebo $2^{64}$ ).

Virtualizace paměti

Logický adresový prostor je větší než ten fyzický, proto CPU používá segmentaci a/nebo stránkovaní, aby předstíralo, že paměti má dost.

Virtuální adresa

Význam se liší podle architektury. Na 80286 a 80386 je to logická adresa (segment, offset). Na x86_64 je to 64-bitová adresa, která je stránkovaná a tedy odpovídá spíše lineární adrese na starších architekturách.

Správa paměti

OS spravuje paměť a snaží se tak zajistit:

logickou organizaci — kus paměti obsahuje instrukce a nelze do něj zapisovat, jiný RO/RW data, …
izolaci — procesy nesmí hrabat, kam nemají
efektivní využití.

Position-independent code (PIC)

Kód, kterému nezáleží na jeho absolutní adrese. Používá se pro sdílené knihovny, které nemohou vědět, kde přesně v paměti se ocitnou. Používal se také k izolaci, pokud CPU nemělo MMU.

Segmentace

Paměť je rozdělena na segmenty — souvislé části paměti, která někde začínají a končí, ale nemusí být stejně velké.

Přibyla v Intel 80286.
Používá logické adresy — dvojice (selektor, offset), kde selektor je (hlavně) index to segmentovací tabulky.
V segmentovací tabulce jsou pak také uloženy informace o tom, jaký má segment typ a přístupová práva.
V dnešních procesorech je velice omezená. x86_64 má jen non-executable bit u stránek.

Segmentovací tabulka

Obsahuje informace o segmentech:

Začátek segmentu a jeho velikost.
Jestli je uložen v reálné paměti.
Jestli je datový, intrukční nebo systémový.
Jestli do něj lze zapisovat.
…

Chyba přístupu (segmentation fault)

Program se pokusil dostat na adresu, ke které neměl přístup.

Stránkování (paging)

Fyzická paměť je rozdělena na rámce (frames) fixní velikosti (obvykle po 4 KiB). Do rámců jsou vkládány stránky.

Přibyla v Intel 80386.

logick \overset{a}{ˊ} adresa segmentace line \overset{a}{ˊ} rn \overset{ı}{ˊ} adresa str \overset{a}{ˊ} nkov \overset{a}{ˊ} n \overset{ı}{ˊ} fyzick \overset{a}{ˊ} adresa

Swapping

Když dojdou rámce, mohou být stránky přesunuty na disk.

Výpadek stránky (page fault)

Program se pokusil dostat na adresu ve stránce, která není v žádném rámci. Taková stránka musí být načtena z disku.

Uvolnění rámce

Pokud dojdou rámce, je třeba vybrat oběť — stránku, kterou přesunout na disk. Používá se:

Fronta (FIFO) — stránka, která nejdéle nebyla přesunutá,
Least Recently Used (LRU) — stránka, která nejdéle nebyla navštívená,
Druhá šance — FIFO, ale stránky alespoň jednou navštívené od posledního obětování jsou vynechány.

Memory Management Unit (MMU)

Část CPU, která překládá virtuální adresy na fyzické adresy pomocí traslation (page) tables, které spravuje kernel.

Translation Look-aside Buffer (TLB)

Součást MMU. Cache na fyzické adresy.

Izolace procesů

Výměnou page tables jsou procesy izolovány jeden od druhého. Každý proces má svůj vlastní adresní prostor. Vyžaduje, aby CPU mělo MMU.