O documento discute técnicas de gerência de memória principal em sistemas operacionais, incluindo paginação e segmentação. Ele explica como a memória principal é organizada em páginas e quadros e como uma tabela de paginação mapeia endereços lógicos para endereços físicos. Além disso, aborda proteção de memória, páginas compartilhadas e diferentes estruturas para tabelas de paginação.

1. Sistemas Operacionais I
Gerência de Memória: Memória Principal
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com
Centro de Informática | Universidade Federal da Paraíba
Estes slides são baseados no material que acompanha o livro Operating
Systems Concepts de Silberschatz, Galvin and Gagne

2. Objetivos
 Fornecer uma descriç ão detalhada sobre
várias formas de organizar o hardware de
memó ria
 Discutir técnicas de gerência de memó ria,
incluindo paginaç ão e segmentaç ão

3. Antecedentes
 Os programas precisam ser trazidos para a memó ria principal para
poderem ser executados (criaç ão de um processo)
 Memó ria principal e registrados são as únicas unidades de armazenamento
acessadas diretamente pela CPU
 O acesso a um registrador é feito em um (ou menos) ciclos de CPU
 Acessos à memó ria principal podem levar mais ciclos
 A memó ria cache se situa entre a memó ria principal e os registradores
 Mecanismos de proteç ão de memó ria são necessários para garantir a
operaç ão correta

4. Registradores de base e limite
 Um par de registradores (base e limite)
definem um espaç o de endereç amento ló gico

5. Vinculando instruções e dados à memória
 Tempo de compilaç ão: Se a localizaç ão de
memó ria for conhecida a priori, o compilador pode
gerar có digo absoluto; requer recompilaç ão caso a
localizaç ão mude
 Tempo de carga: Requer a geraç ão de có digo
relocável se a localizaç ão de memó ria não for
conhecida em tempo de compilaç ão
 Tempo de execuç ão: A vinculaç ão é adiada até o
momento da execuç ão caso o processo possa ser
movido de um segmento de memó ria para outro
durante a execuç ão. Requer suporte de hardware
para mapas de endereç amento

6. Etapas do processamento de um programa
do usuário

7. Endereçamento Lógico x Físico
 O conceito de espaç o de endereç amento
ló gico, que é vinculado a um espaç o de
endereç amento físico separado é crucial para a
gerência de memó ria
 Endereç o ló gico: gerado pela CPU, também conhecido
como endereç o virtual
 Endereç o físico: endereço visto pela unidade de
memó ria
 Endereç os ló gicos e físicos são os mesmos em
esquemas de vinculaç ão de endereç os em tempo de
compilaç ão ou tempo de carga e são diferentes em
esquemas de vinculaç ão de endereç os em tempo de
execuç ão

8. Unidade de Gerência de Memória (MMU)
 Dispositivo de hardware que mapeia um
endereç o virtual em um endereç o físico
 Na MMU, o valor de um registrador de relocaç ão
é somado a todo endereç o gerado por um
processo do usuário no momento em que ele é
enviado a memó ria
 O programa lida apenas com endereç os ló gicos;
ele nunca vêos endereç os físicos reais

9. Uso do registrador de relocação

10. Carregamento dinâmico
 Uma rotina não é carregada até ser invocada
 Melhor utilizaç ão do espaç o de memó ria;
rotinas não utilizadas nunca são carregadas
 Útil quando grandes quantidade de có digo são
necessárias para lidar com casos infrequentes
 Não requer nenhum suporte especial do
sistema operacional

11. Ligação dinâmica
 A ligaç ão é adiada até o momento da execuç ão
 Um pequeno pedaç o de có digo (stub) é utilizado
para localizar a rotina apropriada em uma
biblioteca residente na memó ria
 O stub substitui a si pró prio com o endereç o da
rotina e a executa
 O sistema operacional é necessário para verificar
se a rotina estáno espaç o de endereç amento do
processo
 Ligaç ão dinâmica é particularmente útil para
bibliotecas compartilhadas

12. Swapping
 Um processo pode ser removido temporariamente da memó ria
para um armazenamento secundário e depois trazido de volta para
continuar sua execuç ão
 Armazenamento secundário – disco rápido, grande o suficiente
para armazenar copias dos programas em memó ria de todos os
usuários; precisa fornecer acesso direto a essas có pias de
memó ria
 Roll out, roll in – variante de swapping, utilizada em algoritmos
de escalonamento com prioridade; processos de baixa prioridade
são removidos para que processos de mais alta prioridade possam
ser carregados e executados
 A maior parte do tempo de swap é gasto transferindo dados
 Versões modificadas de um esquema de swapping são encontradas
em praticamente todos os sistemas operacionais

13. Visão esquemática de swapping

14. Alocação contínua
 A memó ria principal é geralmente dividida em duas
partições:
 Sistema operacional residente, geralmente na memó ria baixa,
junto com o vetor de interrupç ões
 Processos do usuário na parte alta da memó ria
 Registradores de relocação são utilizados para proteger os
processos dos usuários uns dos outros e também para evitar
alterações em dados e có digos do sistema operacional
 O registrador base contem o menor endereç o de memó ria
permitido
 O registrado de limite define o tamanho do espaç o de
endereç amento – cada endereç o ló gico deve ser menor que o
registrador de limite
 A MMU mapeia os endereç os ló gicos dinamicamente

15. Suporte de hardware para relocação e
limite

16. Alocação contínua
 Alocaç ão com múltiplas partiç ões
 Buraco – bloco de memó ria disponível; buracos de vários
tamanhos são espalhados na memó ria
 Quando um processo é criado ele é alocado em um buraco
grande o suficiente para suas necessidades de memó ria
 O sistema operacional mantem informaç ões sobre:
a) partiç ões alocadas b) partiç ões livres (buracos)
SO
processo 5
processo 8
processo 2
SO
processo 5
processo 2
SO
processo 5
processo 2
SO
processo 5
processo 9
processo 2
processo 9
processo 10

17. O problema da alocação dinâmica
de espaço
 First-fit: Aloca o primeiro buraco que for
grande o suficiente
 Best-fit: Alocar o menor buraco que for
grande o suficiente; precisa pesquisar a lista
inteira a menos que esteja ordenada por
tamanho
 Produz o menor buraco remanescente
 Worst-fit: Aloca o maior buraco; também
precisa percorrer toda a slista
 Produz o maior buraco remanescente
First-fit e best-fit são melhores que o worst-fit em termos
de velocidade e utilizaç ão do espaç o!

18. Fragmentação
 Fragmentaç ão externa – exige memó ria suficiente
para atender uma requisiç ão mas ela não é contigua
 Fragmentaç ão interna – a memó ria alocada pode
ser levemente maior que a memó ria requisitada; esta
diferenç a de memó ria faz parte da partiç ão mas não
é utilizada
 Reduzir fragmentaç ão utilizando compactaç ão
 Ordena o conteúdo da memó ria em uma localidade para
juntar todo o espaço livre em um grande bloco
 Compactação só é possível com relocação dinâmica

19. Paginação
 O espaç o de endereç amento ló gico de um processo
pode ser não-contínuo; o processo recebe memó ria
física na medida em que ela se torna disponível
 A memó ria física é dividida em blocos de tamanho
fixo chamados quadros (o tamanho é uma potência
2, entre 512 bytes e 8,192 bytes)
 A memó ria ló gica é dividida também em blocos do
mesmo tamanho chamados páginas
 Para executar um programa de n páginas é preciso
encontrar n quadros para carregar o programa
 Uma tabela de paginaç ão é utilizada para traduzir
endereç os ló gicos em endereç os físicos

20. Esquema de tradução de endereços
 Os endereç os gerados pela CPU são divididos em duas partes:
 Número da página (p) – utilizado como índice na tabela de paginaç ão que
contem o endereç o base de cada página na memó ria física
 Deslocamento (d) – combinado com o endereç o base define o endereç o
físico a ser enviado para a unidade de memó ria
 Para um determinado espaç o de endereç amento com 2m
bits e páginas de
tamanho 2n

21. Hardware de paginação

22. Modelo de paginação de memórias lógica e física

23. Exemplo de paginação
Memó ria de 32-bytes com páginas de 4 bytes

24. Quadros livres
Antes da alocaç ão Apó s alocaç ão

25. Implementação da tabela de
paginação
 Tabela de paginaç ão é mantida na memó ria principal
 Page-table base register (PTBR) aponta para a base
 Page-table length register (PRLR) indica o tamanho
 Neste esquema, cada acesso a dados ou instruç ões
requer dois acessos à memó ria. Um para a tabela de
paginaç ão e outro para o dado/instruç ão
 Este problema de dois acessos pode ser amenizado
utilizando um cache de hardware especial chamado
translation look-aside buffers (TLBs)

26.  Busca paralela
Traduç ão de endereç o (p, d)
 Se p estána memó ria associativa o valor de f é obtido
 Se não, obter o valor de f da tabela de paginaç ão na
memó ria
Memória associativa
Page # Frame #

27. Paginação utilizando TLBs

28. Tempo efetivo de acesso
 Busca associativa = ε unidades de tempo
 Assumir que um ciclo de memó ria dura 1
microssegundo
 Taxa de acerto – porcentagem das vezes em que
o número de uma página é encontrado no TLB;
Taxa de acerto = α
 Tempo efetivo de acesso (EAT)
EAT = (1 + ε) α + (2 + ε)(1 – α)
= 2 + ε – α

29. Proteção de memória
 O mecanismo de proteç ão de memó ria
associa um bit de proteç ão a cada quadro
 Um bit Válido-inválido anexado a cada
entrada na tabela de paginaç ão:
 “válido” indica que a página associada estáno
espaç o de endereç amento ló gico do processo
 “inválido” indica que a página não estáno espaç o
de endereç amento ló gico do processo

30. O bit Válido (v) ou Inválido (i) na tabela
de paginação

31. Páginas compartilhadas
 Có digo compartilhado
 Uma có pia apenas de leitura do có digo
compartilhada entre vários processos
 O có digo compartilhado precisa aparecer no mesmo
local no espaç o de endereç amento ló gico de todos
os processos
 Có digo e dados privados
 Cada processo mantém uma có pia separada dos
dados e có digo
 As páginas para o có digo privado podem aparecer em
qualquer lugar no espaç o de endereç amento ló gico

32. Exemplo do uso de páginas
compartilhadas

33. Estrutura da tabela de paginação
 Paginaç ão hierárquica
 Tabelas de paginaç ão com hash
 Tabela de paginaç ão invertida

34. Tabela de paginação hierárquica
 Quebra o espaç o de endereç amento ló gico
em múltiplas tabelas de paginaç ão
 Uma técnica simples é paginaç ão em dois
níveis

35. Paginação em dois níveis

36.  Espaç o de endereç amento ló gico (máquina de 32-bit com páginas de 4K) é divido
em :
 Um número de página de 20 bits
 Um deslocamento na página de 12 bits
 Uma vez que a tabela de paginaç ão é também paginada, o número da página é
também dividido em duas partes:
 Um número de página de 10 bits
 Um deslocamento na página de 10 bits
 Portanto, os endereç os ló gicos são construídos da seguinte forma:
onde pi é o índice na tabela de paginaç ão externa e p2 é o deslocamento dentro da
página da tabela de paginaç ão externa
Exemplo de paginação em dois
níveis

37. Esquema de tradução de endereço

38. Paginação em três níveis

39. Tabelas de paginação com hash
 Comum em espaç o de endereç amento com mais de
32 bits
 O número da página virtual é submetido a uma funç ão
hash e o resultado aponta para uma entrada na
tabela de paginaç ão
 Cada entrada na tabela de paginação contem uma lista de
elementos cujo hash apontou para a mesma localidade
(colisões)
 O número da página virtual é então comparado com os
valores nessa lista para localizar o quadro na
memó ria física

40. Tabela de paginação com hash

41. Tabela de paginação invertida
 Uma entrada para cada quadro na memó ria principal
 As entradas da tabela são os endereç os das páginas
virtuais armazenadas nessas localizaç ão de memó ria,
com informaç ão sobre o processo proprietário
 Diminui a quantidade de memó ria necessária para
armazenar a tabela de paginaç ão mas aumenta o
tempo necessário para consultar a tabela
 Usar hash para limitar a busca a uma, ou pelo menos, a
umas poucas entradas

42. Arquitetura de uma tabela de
paginação invertida

43. Segmentação
 Esquema de gerência de memó ria que reflete a
visão que o usuário tem da memó ria
 Um programa é uma coleç ão de segmentos
 Um segmento representa uma unidade ló gica, como:
Programa principal
Procedimento
Funç ão
Método
Objeto
Variáveis locais
Variáveis globais
Pilha
Tabela de símbolos

44. Visão do usuário sobre um programa

45. Arquitetura de segmentação
 O espaço de endereçamento ló gico consiste em uma tupla:
<número do segmento, deslocamento>,
 Tabela de segmentos – mapeia os endereços virtuais em
endereços físicos; cada entrada tem:
 base – contem o endereç o inicial do segmento na memó ria
 limite – especifica o tamanho do segmento
 Segment-table base register (STBR) aponta para a
base da tabela de segmentação na memó ria
 Segment-table length register (STLR) indica o número
de segmentos utilizados por um programa;
o número de segmento s é legal se s < STLR

46. Arquitetura de segmentação
 Proteç ão
 A cada entrada na tabela de segmentação associamos:
 Bit de validade = 0 ⇒ segmento ilegal
 Privilégios de leitura/escrita/execuç ão
 Bits de proteç ão associados a segmentos;
compartilhamento de có digo ocorre no nível dos
segmentos
 Uma vez que o tamanho dos segmentos varia,
alocaç ão de memó ria passa a ser uma problema de
alocaç ão dinâmica de armazenamento

47. Hardware para segmentação

48. Exemplo do uso de segmentação