مديريت حافظه

دانشکده ی دکتر جلیلی - مفاهیم سیستم عامل کامپیوتر- دانشگاه صنعتی شریف

کتاب هشتم فصل اسالیدهایسیلبرشاتز

کامپیوتر مهندسی دانشکدهشریف دانشگاه

حافظه مديريت

5.2 دانشکده ی دکتر جلیلی - مفاهیم سیستم عامل کامپیوتر- دانشگاه صنعتی شریف

مطالب عناوین بر مروری

زمینه پیش مبادله(Swapping)

يكپارچه اختصاص بندي (Paging)صفحه

بندي (Segmentation)قطعه

بندي صفحه همراه به بندي قطعه


حافظه به را آن ابتدا بايد برنامه يك اجراي برايداد قرار پردازه يك درون را آن سپس و كرد منتقل

. شود اجرا تا

ورودی روی: صف های پردازه ی مجموعهاجرا برای حافظه به ورود انتظار در که دیسک

هستند.

مراحل شدن، اجرا از قبل کاربر های برنامه. کنند می طی را متعددی

زمینه پیش


حافظه آدرس به ها داده و ها دستورالعمل آدرس نگاشت... است پذير امكان مرحله سه در

: كامپايل شده زمان شناخته قبل از برنامه حافظه فضاي اگر . كرد مشخص را ها آدرس كامپايل زمان در توان مي باشد،

مجددا بايد برنامه كند، تغيير برنامه حافظه شروع آدرس كه صورتي در. شود كامپايل

: بارگذاري حافظه زمان آدرس كامپايل زمان در كه صورتي دركد آن براي بايد نباشد، مشخص جابجايي برنامه .قابل شود توليد

: اجرا قطعه زمان يك از اجرا زمان در را پردازه بتوان اگرآدرس اختصاص توان مي كرد منتقل ديگر قطعه به حافظه

تعويق به اجرا زمان تا را ها داده و ها دستورالعمل به حافظهانداخت.

مثال عنوان به دارد، آدرس نگاشت از افزاري سخت حمايت به نيازهاي .limitو baseثبات

زمینه پیش


پردازش مرحله چندبرنامه اي

كاربر


،حافظه مديريت اصلي مفاهيم از آدرس يكي فضايفيزيكي حافظه فضاي با متناسب است.منطقي

منطقي مي آدرس توليد پردازنده توسط كه است آدرسي. شود مي ناميده نيز مجازي آدرس فضاي و شود

فيزيكي ديده آدرس حافظه واحد توسط كه است آدرسي. شود مي

نگاشت هاي روش در فيزيكي و منطقي هاي آدرسحافظه كامپايل فضاي بارگذاري و زمان يكي زمان

روش در اما اجرا هستند .زمان متفاوتند يكديگر با

و منطقي حافظه فضايفيزيكي


حافظه مديريت (Memory Management Unit, MMU)واحدهاي آدرس كه است افزاري سخت ابزار يك. كند مي نگاشت فيزيكي آدرس به را مجازي

درMMU جابجايي ثبات هنگام .(relocation reg)مقداركاربر پردازه توسط توليدشده هاي آدرس ارسال

. شود مي اضافه آدرس به حافظه به هاي آدرس با صرفا كاربر مي منطقيبرنامه كار

واقعي فيزيكي هاي آدرس از اطالعي اصوال و كندندارد.

حافظه مديريت واحد


از استفاده با پويا جابجاييجابجايي ثبات


نشده فراخواني كه زماني تا روال يك روش اين در. گردد نمي منتقل اصلي حافظه درون به است

حافظه فضاي وري بهره كه بهبود روالي. شود نمي نيز بارگذاري شود نمي فراخواني

حمايت براي كد از زيادي حجم كه مواردي براي مناسب. هستند نياز مورد نادر اتفاقات از

در و ندارد عامل سيستم توسط خاصي حمايت به نياز. گيرد مي قرار نظر مد برنامه طراحي فرايند

پويا (Dynamic Loading)بارگذاري


به اجرا زمان تا يكديگر به ها پيمانه اتصال روش اين در. افتد مي تعويق

نام به كوچكي كد قطعه روتين stubاز دهي جاي براي. شود مي استفاده مناسب حافظه در مقيم اي كتابخانه

stub اجرا را روتين و كند مي عوض روتين آدرس با را خودش. كند مي

حافظه فضاي در روتين كه كند بررسي بايد عامل سيستمخير؟ يا دارد قرار پردازه

مناسب بسيار ها كتابخانه براي بخصوص روش ايناست.

پويا (Dynamic Linking)اتصال


يك به حافظه از موقتا را پردازه يك توان پشتيبان مي Backing) انبارهStore) حافظه به مجددا اجرا ادامه براي مدتي از پس و كرد منتقل

فراخواند. پشتيبان مي انباره كه است بزرگ كافي اندازه به و سريع ديسك يك

. دهد جاي خود در را كاربران تمام حافظه تصاوير تواند: خروج بر ورود، مبنی بندی زمان های الگوریتم برای مبادله شاخص

. تا شود می خارج تر پایین اولویت با پردازه شود می استفاده اولویت. شود اجرا و بارگذاری بتواند باالتر اولویت با پردازه

. آورد فراهم را حافظه تصاوير به مستقيم دسترسي امكان بايد انباره به يافته اختصاص حافظه انتقال صرف پردازه مبادله زمان بيشتر

. شود مي ها پردازه بايد كه اي حافظه فضاي اندازه به مستقيما پردازه مبادله كل زمان

. دارد بستگي شود جابجا مختلف هاي عامل سيستم روي ها پردازه مبادله از متفاوتي هاي نسخه

. دارد (UNIX, Linux, and Windows)وجود

(Swapping)مبادله


ها پردازه مبادله كلي طرح


: شود مي تقسيم قسمت دو به اصلي حافظه معموال بردار همراه به معموال كه عامل سيستم به مربوط مقيم حافظه

. گيرد مي قرار حافظه پايين آدرس در وقفه. گيرند مي قرار حافظه باالي آدرس در معموال كه كاربر هاي پردازه

جابجايي در .(relocation reg)ثبات ها پردازه از محافظت برايدر عامل سيستم كد از محافظت همچنين و يكديگر قبال

. شود مي استفاده ها پردازه برابر به يافته اختصاص فيزيكي فضاي آدرس كوچكترين پایه ثبات مقدار

. است پردازه حد ..(limit reg)ثبات كند مي تعيين را فيزيكي هاي آدرس دامنه. باشد كوچكتر حد ثبات از بايد منطقي آدرس هر

يكپارچه Contiguous)اختصاصAllocation)


صورت به آدرس از محافظتهاي ثبات کمک به افزاری سخت

حد و پایه


فضای یک حد ثبات یک و پایه ثبات یک . کنند می تعریف را منطقی آدرس


چندتكه اختصاص حافظه آزاد هاي بالك . (hole) سوراخبه در ها سوراخ گويند مي

. اند شده پراكنده متفاوت هاي اندازه با حافظه سراسر از يكي از آن نياز مورد حافظه فضاي شود، مي وارد پردازه يك وقتي

. يابد مي اختصاص است بزرگ كافي اندازه به كه موجود هاي سوراخ به مربوط اطالعات عامل و( 1سيستم يافته اختصاص هاي ( 2قطعه

. ) كند ) مي نگهداري را ها سوراخ آزاد های قطعه

يكپارچه (اختصاص ادامه)

OS

process 5

process 8

process 2

OS

process 5

process 2

OS

process 5

process 2

OS

process 5

process 9

process 2

process 9

process 10


اندازه با حافظه درخواست يك يك nچطور از راكنيم؟ برآورده آزاد فضاهاي از ليست

گزينه اندازه: (First Fit)اولين به كه را آزاد فضاي اولين. دهد مي اختصاص باشد بزرگ كافي

گزينه به: (Best Fit)بهترين كه را آزاد فضاي كوچكترين. دهد مي اختصاص باشد بزرگ كافي اندازه

اطالعات آنكه مگر كرد، جستجو را آزاد فضاهاي همه بايد. باشد شده مرتب آنها به مربوط

. كند مي توليد را مانده باقي آزاد فضاي كوچكترين

پويا فضاي اختصاص مساله


گزينه به: (Worst Fit)بدترين كه را آزاد فضاي بزرگترين. دهد مي اختصاص باشد بزرگ كافي اندازه

آنكه مگر كرد، جستجو را آزاد فضاهاي همه بايد هم باز. باشد شده مرتب آنها به مربوط اطالعات

. كند مي توليد را مانده باقي آزاد فضاي بزرگترين

هاي گزينه روش گزينه و اولين اساس بهترين براز بهتر حافظه فضاي وري بهره و سرعت معيارهاي

گزينه .بدترين هستند

پويا فضاي اختصاص مساله) ادامه)


خارجي گي قطعه قطعه كافي درخواست اجابت براي آزاد حافظه فضاي مجموع

. ندارد وجود يكپارچه فضاي اختصاص امكان اما است،

داخلي گي قطعه قطعه فضاي از اندكي است ممكن يافته اختصاص فضاي

. حافظه در اضافه فضاي اين باشد بيشتر درخواستي. شود نمي استفاده آن از اما است موجود

گي قطعه (Fragmentation)قطعه


سازي فشرده با خارجي گي قطعه قطعه كاهش(Compaction)

يك در آزاد فضاي تمام تا كن جابجا را حافظه محتويات. گيرد قرار بزرگ حافظه بالك

كه است پذير امكان صورتي در تنها سازي فشردهپويا .جابجايي پذيرد صورت اجرا زمان در و باشد

: روي / نوشتن و خواندن دستورات خروجي ورودي مشكل... است جابجايي حال در كه اي حافظه

. / نكن جابجا را آن است خروجي ورودي درگير حافظه وقتي / عامل سيستم ميانگير هاي حافظه با فقط را خروجي ورودي

. بده انجام

گي قطعه (قطعه ادامه)


ممكن پردازه يك به یافته اختصاص منطقی آدرس فضاي. نباشد يكپارچه است

مي داده اختصاص پردازه به بود موجود فيزيكي فضاي وقت هرشود.

قاب كه ثابت اندازه با هايي بالك به فيزيكي (frame)حافظه. شود مي تقسيم شوند مي ناميده

از تواني قاب هر .8192تا 512بين 2اندازه است بايت

صفحه كه اندازه همان با هايي بالك به منطقي حافظه(page). شود مي تقسيم شوند مي ناميده

بندي (Paging)صفحه


. شود می داری نگه آزاد های قاب تمام مشخصات اندازه با اي برنامه اجراي بايد nبراي قاب nصفحه

. كرد بارگذاري را برنامه سپس و كرد پيدا آزاد صفحه جدول يك آدرس (page table)از تبديل براي

. شود مي استفاده فيزيكي به منطقي داخلي گي قطعه قطعه

بندي ((Paging)صفحه ادامه )


قسمت دو به پردازنده توسط توليدشده آدرسصفحه صفحه و شماره .افست شود مي تقسيم

كه شود مي استفاده انديسي عنوان به صفحه شماره. كند مي اشاره صفحه جدول از اي خانه به

حافظه فضاي در صفحه هر شروع آدرس صفحه، جدول. دارد را فيزيكي

( افستoffset )تركيب صفحه شروع آدرس با صفحهارسال اصلي حافظه به كه را فیزیکی آدرس تا شود مي

. دهد تشكيل شود مي

آدرس ترجمه رويه


آدرس ترجمه معماري


بندي صفحه از مثالي


ديگر مثالياز

بندي صفحه


آزاد هاي قاب


. شود مي نگهداري اصلي حافظه در صفحه جدول صفحه جدول مبناي اشاره (PTBR) ثبات صفحه جدول به

. كند مي صفحه جدول اندازه را (PTLR) ثبات صفحه جدول اندازه

. كند مي مشخص داده يا دستورالعمل هر به دسترسي مدل اين در

: به يكي است حافظه به دسترسي دو متضمن. فيزيكي آدرس به ديگري و صفحه جدول

يك از استفاده با توان مي را دوتايي دسترسي مشكلجستجوي قابليت كه ويژه افزاري سخت نهان حافظه

. افزار سخت اين به كرد حل باشد، داشته حافظه سريعيا انجمني ترجمه و ميانگير . (TLB)حافظه گويند مي

صفحه جدول سازي پياده


- موازی جستجوی انجمنی ی حافظه

( آدرس ی (p,dترجمه اگرp بیرون از را قاب ی شماره باشد، انجمنی ثبات در

. کن بارگذاری حافظه از صفحه جدول از را قاب ی شماره صورت این غیر در

. بگیر حافظه

انجمنی ی حافظه

Page # Frame #


با افزار سخت بندی TLBصفحه


= انجمنی زمان جستجوی واحد حافظه زمانی ی دوره کنید ثانیه 1فرض میلی

باشد. : ی شماره که دفعاتی تعداد درصد برخورد نرخ

. دارد وجود انجمنی های رجیستر در صفحه متناسب انجمنی های رجیستر تعداد با نرخ این

است. = برخورد نرخ موثر دستیابی (EAT)زمان

EAT = )1 + ( + )2 + ()1 – ( =2 + –

موثر دستیابی زمان


بیت یک ی وسیله به حافظه از محافظتاست، قاب هر همراه که انجمنی محافظ

. است شده سازی پیاده بیت جدول اعتباریک در ورودی هر به

. است شده مرتبط صفحه ی معتبر صفحه که است این ی دهنده نشان

است، پردازه منطقی آدرس فضای در مرتبط. است معتبر ی صفحه یک پس

معتبر صفحه نا که است این ی دهنده نشان. نیست پردازه منطقی آدرس فضای در

حافظه از محافظت


( معتبر )Vبیت نامعتبر( یک( iو درجدول ی صفحه


مشترک کد ها پردازه میان در خواندنی فقط مشترم کد از کپی یک

و) ... ( کامپایلرها متن، های پردازنده مثل پردازه تمام منطقی آدرس فضای در باید مشترک کد

. باشد یکسان مکان در ها، خصوصی ی داده و کد

. دارد می نگه داده و کد از مجزا کپی یک پردازه هر از جایی هر توانند می خصوصی ی داده و کد ی صفحه

. بگیرند قرار منطقی آدرس فضای

مشترک صفحات


مشترک صفحات از مثال


مراتبی سلسله بندی صفحه

سازی هم در های صفحه جدول

معکوس های صفحه جدول

صفحه جدول ساختار


صفحه جدول چندین به را منطقی آدرس فضای. کند می تقسیم

. - است سطحی دو ی صفحه جدول ساده، روش یک

مراتبی سلسله بندی صفحه


- دو ی صفحه جدول یک طرحسطحی


( ماشین یک در منطقی آدرس ی 32یک صفحه ی اندازه با ( 4Kبیتی: به شود می تقسیم

شامل صفحه ی شماره بیت 20یک شامل صفحه افست بیت 12یک

تقسیم صفحه ی شماره است، شده بندی صفحه جدول ی صفحه چون: به شود می

10 صفحه ی شماره بیت10 صفحه افست بیت

: است زیر صورت به منطقی آدرس یک پس،

P1 و است بیرونی جدول ی صفحه ی P2اندیس صفحه داخل جابجایی. است بیرونی ی صفحه جدول

- سطحی دو بندی صفحه مثال

page number page offset

pi p2 d

10 10 12


صفحه معماری یک برای آدرس ی ترجمه طرحسطحی 32بندی دو بیت

آدرس ی ترجمه طرح


> ها آدرس فضای معمول طور بیت 32به صفحه جدول یک داخل مجازی ی صفحه ی شماره

سازی ) هم . hashدر صفحه( جدول این شوند مییک برای که است عناصر از زنجیره یک شامل

سازی ) هم در .hashمکان اند( شده پیدا برای زنجیره این در مجازی صفحات ی شماره

. وجود تالقی اگر شوند می مقایسه تالقی کردنقرار استفاده مورد مربوطه فیزیکی قاب داشت،

. گیرد می

سازی هم در ی صفحه جدول


سازی هم در ی صفحه جدول


حافظه واقعی ی صفحه هر برای ورودی یک

در که است ای صفحه مجازی آدرس شامل ورودیبا همراه است، شده ذخیره حافظه واقعی مکان آن

صفحه آن مالک ی پردازه ی درباره اطالعات کم را صفحه هر داری نگه برای مصرفی ی حافظه

در جدول جستجوی برای الزم زمان اما کند، می. کند می زیاد را صفحه به ارجاع یک زمان

به جستجو کردن محدود برای سازی هم در جدول از ) صفحه ) جدول های ورودی از محدودی تعداد ویا یک

. شود می استفاده

معکوس ی صفحه جدول


معکوس ی صفحه جدول معماری


می پیروی حافظه مورد در کاربر دید از که حافظه مدیریت برای طرحیکند.

. منطقی واحد یک قطعه یک است ها قطعه از ای مجموعه برنامه یک: مثل است

اصلی ی برنامهرویهتابعمتدشیء کلی متغیرهای محلی، متغیرهای عمومی بلوکاستک عالئم جدول ها آرایه

است.

بندی ) (Segmentationقطعه


برنامه یک از کاربر دید


بندی قطعه منطقی دید

1

3

2

4

1

4

2

3

user space physical memory space


: است شده تشکیل قسمت دو از منطقی آدرس> افست> قطعه، ی شماره

: ها قطعه نگاشت جدول را بعدی دو فیزیکی های آدرس. . است حد و پایه عنصر دو دارای جدول ورودی هر کند می

پایه (. در: ها قطعه که مکانی است شروع فیزیکی آدرس شامل). گیرند می قرار حافظه

حد. کند: می مشخص را ها قطعه طول( قطعه جدول ی پایه جدول(: STBRرجیستر مکان به

. کند می اشاره حافظه در قطعه( قطعه جدول طول که( STLRرجیستر هایی قطعه تعداد

. کند می مشخص را است شده استفاده برنامه یک توسط ی قطعه ی اگر sشماره است .s > STLRمعتبر باشد

بندی قطعه معماری


همراه: محافظت قطعه جدول در ورودی هر: با است

است مجاز غیر =قطعه اعتبار 0بیت کردن اجرا نوشتن، خواندن، ی اجازه

. هستند ها قطعه با همراه محافظت های بیت. افتد می اتفاق قطعه سطح در کد اشتراک

تخصیص متفاوتند، طول لحاظ از قطعات چونپویا ی حافظه تخصیص ی مسئله به تبدیل حافظه

. شود می

) ادامه ) بندی قطعه معماری


آدرس ی ترجمه معماری


بندی قطعه مثال


ها قطعه گذاشتن اشتراک به


فصل 8انتهای

مديريت حافظه

Documents