Arquitectura de Computadores II Clase #7


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1 Arquitectura de Computadores II Clase #7 Facultad de Ingeniería Universidad de la República Instituto de Computación Curso 2009 Veremos Memoria virtual Resumen de ideas para mejorar performance 1

2 Recordemos: Jerarquía de Memoria Registros Instr. Operandos Nivel Superior Más rápido Cache Bloques Memoria Páginas Disco Archivos Cinta Más grande Nivel Inferior Paginación Memoria dividida en frames de igual tamaño Procesos divididos en bloques de igual tamaño: páginas Asignar la cantidad de páginas requeridas por cada proceso El Sistema Operativo mantienen una lista de las frames libres Un proceso no necesita un espacio contiguo de frames Se utiliza una tabla para llevar la cuenta de las páginas usadas 2

3 Memoria Virtual Paginación a demanda No se requiere que todas las páginas de un proceso estén en memoria principal Se cargan bajo demanda Fallo de Página Página requerida no está en memoria Sistema Operativo debe traer la página nueva (swap in) Puede ser necesario descartar una página para hacer lugar (swap out) Seleccionar página a descartar basándose en la historia reciente Memoria virtual: beneficios No se necesita tener memoria suficiente para todos los procesos en ejecución Se puede hacer swap de páginas a demanda Entonces Se pueden ejecutar procesos más grandes que la memoria física disponible! Usuario/programador ve una memoria mucho más grande Memoria virtual 3

4 Diseño de un Sistema de Memoria Virtual Tamaño de los bloques de información que son transferidos desde almacenamiento secundario hacia principal (M) Si M está lleno, si se trae un nuevo bloque se debe liberar un espacio política de reemplazo Que región de M debe alojar el nuevo bloque política de alojamiento Los ítems que faltan deben ser traídos de memoria secundaria solo si ocurre un fallo política de carga en demanda Organización de Paginado espacio de direcciones físico (frames) y virtual (páginas) particionado en bloques de igual tamaño Mapa de Direcciones V = {0, 1,..., n - 1} espacio virtual de direcciones n > m M = {0, 1,..., m - 1} espacio físico de direcciones Existe una función MAP ( V --> M ) que toma los valores: MAP(a) = a si el dato apuntado por la dirección virtual a está presente en la dirección física a' tal que a' pertenece a M MAP(a) = vacío si el dato apuntado por la dirección virtual a no está presente en M a Espacio V fallo por falta de ítem manejador Procesador del fallo a Mecanismo Traslación de Direcc. 0 a' Memoria Principal Memoria Secundaria dirección física Responsabilidad del Sistema Operativo 4

5 Ejemplo: Direcciones lógicas y físicas Frames o marcos: bloques de memoria física Páginas: bloques de memoria virtual, usualmente almacenados en disco. Se cargan a frames libres de memoria física Traducción de memoria virtual a física Tabla de páginas Thrashing Demasiados procesos en poca memoria Sistema Operativo ocupado todo el tiempo en swap Poco trabajo real del sistema El disco trabaja mucho! Soluciones Buenos algoritmos de reemplazo Reducir cantidad de procesos en ejecución Más memoria! 5

6 Estructura de la Tabla de Páginas (1/2) Tabla de páginas Traducción de dirección virtual a dirección física Tamaño variable, potencialmente muy grande (ej. 4GB en sistemas con 32 bits de direcciones) No se puede alojar en la CPU -> en memoria! Pero se debe limitar el uso de memoria principal para almacenar Tablas de Páginas. se almacenan en memoria virtual Entonces...se necesitan esquemas de paginación en niveles Directorio y tablas de páginas Tabla invertida Estructura de la Tabla de Páginas (2/2) Invertida: se utiliza un hash para indizar en la tabla Tabla de hash usa encadenamiento (chaining) Ventaja: porción fija de memoria real para tablas Una entrada para cada frame de memoria física n bits Recordar: n> m m bits 6

7 Translation Lookaside Buffer Virtual Address Physical Address Dirty Ref Valid Access Cada referencia a memoria virtual causa dos accesos a memoria física Fetch entrada a tabla de páginas Fetch datos (o programa) Para acelerar el acceso se utiliza un cache especial para la tabla de páginas TLB Menor tiempo de acceso, menor tiempo de traslación El uso de TLBs permite reducir el #ciclos/accesos al cache mediante la superposición del acceso al cache con el acceso al TLB Operación del TLB y el Cache Dirección virtual Bits más significativos usados para buscar en el TLB Bits menos significativos índice del cache Acceso superpuesto al TLB y el cache funciona solamente si los bits de direcciones usados como índice del cache no cambian como resultado de la traslación de DV Caches pequeñas, tamaño de página grande, o caches altamente asociativos 7

8 Fallo de Página Página no está residente en memoria El Hardware debe detectar la situación y enviar un trap al Sistema Operativo para intentar resolver la situación elegir una página a descartar (posiblemente salvándola en disco) traer la página del disco actualizar la tabla de páginas retornar el control al programa para que el HW pueda reintentar con éxito! Tamaño de Página Optimo? Mimimizar pérdida de almacenamiento páginas pequeñas minimizan fragmentación interna páginas pequeñas aumentan el tamaño de la Tabla de Páginas Minimizar tiempo de transferencia páginas grandes (múltiples sectores del disco) amortizan costo del acceso Riesgo se puede transferir información innecesaria La tendencia generalizada es tener páginas grandes porque: se tiene mucha RAM barata crece la diferencia de performance memoria / disco espacios de direccionamiento más grandes 8

9 Por qué memoria virtual? (1/2) Generalidad posibilidad de correr programas más grandes que el tamaño de la memoria física Manejo del Almacenamiento allocation/deallocation de bloques de tamaño variable es costoso y lleva a fragmentación Protección aplicar permisos diferenciados a regiones del espacio de direcciones (R/O, Ex,...) Flexibilidad porciones del programa pueden ubicarse en cualquier lado, sin relocalización Por qué memoria virtual? (2/2) Eficiencia del almacenamiento retener solo las porciones más importantes del programa en memoria E/S Concurrente ejecución de otros procesos mientras se carga/descarta una página Performance Impacto en multiprogramación, impacto en lenguajes de alto nivel 9

10 Jerarquía de memoria: Resumen (1/2) Principio de Localidad: Los programas acceden una porción relativamente pequeña del espacio de direcciones en un instante dado. Temporal Espacial Categorías fundamentales de Cache Misses: Compulsivos por Conflicto: incrementar tamaño o asociatividad del cache por Capacidad: incrementar tamaño del cache de Coherencia: procesadores externos o dispositivos de E/S Diseño del Cache tamaño total, tamaño del bloque, asociatividad política de reemplazo política de escritura en hits (write-through, write-back) Jerarquía de memoria: Resumen (2/2) Caches, TLBs, Memoria Virtual se pueden estudiar examinando las respuestas a: Donde se puede guardar el bloque? Cómo encontrar un bloque? Qué bloque se reemplaza en un miss? Cómo se manejan las escrituras? Tablas de páginas mapean direcciones virtuales a físicas TLBs son importantes para acelerar la traslación Misses del TLB son significativos en la performance del procesador! La MV permite que muchos procesos puedan compartir la memoria sin tener que hacer swap al disco Protección de MV es tan importante como la jerarquía de memoria! El tiempo de CPU es una función de (ops, cache misses) vs. solamente f(ops) Cómo se debe reflejar en los Compiladores, estructura de Datos, Algoritmos? 10

11 Una idea fija: mejorar la performance (1/2) Algunas ideas que ya revisamos Incrementar la frecuencia del reloj Pero los tiempos de acceso a memoria y E/S pueden ser un cuello de botella Ancho de los registros Ancho del bus de datos Mayor tasa de transferencia Ancho del bus de direcciones NO mejora la velocidad de acceso pero se puede direccionar más memoria directamente Programas mas grandes Menos uso de la memoria virtual. OK! Pipelining Branch prediction Delayed branch Jerarquía de Memoria L1 & L2 cache Memoria virtual Una idea fija: mejorar la performance (2/2) Ideas de mejora Hardware Más, mejor, más rápido Compatibilidad Organización Mejores ideas Sencillez No compatibilidad CISC vs. RISC Muy diferentes filosofías Pero La mayoría de los procesadores de hoy en día tienen características de ambos Ej. PowerPC y Pentium II o superior 11

12 Próxima clase Próxima clase: arquitectura SPARC 12

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