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Memória Virtual

1. Introdução

Problema das partições variáveis:

  • Fragmentação externa constante, necessitando de intervenção do SO.
  • Solução: memória virtual.

Características da Memória Virtual

  • Presente em sistemas operacionais modernos.
  • Funciona como um overlay, mas implementado pelo SO (não pelo programador).

  • Combina Memória Secundária (MS) e Memória Principal (MP):

    • A memória secundária é usada como extensão da memória principal.
    • Quando o programa é executado, apenas uma parte dele permanece na memória principal.
    • Dá a ilusão de existir uma memória muito maior.

    • Os processos referenciam endereços virtuais, não físicos.

    • O programador não precisa se preocupar com os endereços físicos.

    • Responsáveis pelo mapeamento:

      • Compilador: cria instruções com endereços virtuais.
      • SO: traduz os endereços virtuais para endereços reais.

Exemplo:

Em máquinas de 32 bits, o processo pode referenciar 2^{32}-1 endereços virtuais, independentemente do tamanho da memória física.

Vantagens:

  • Maior número de processos residentes na memória principal.
  • Uso mais eficiente do processador.
  • Minimiza problemas de fragmentação da memória principal.

2. Implementação

  • Implementada diretamente no hardware.
  • Depende da arquitetura do processador.
  • Desvantagem: requer mecanismos de tradução de endereços virtuais para físicos.

Implementação de Memória Virtual

3. Mapeamento de Endereços

O processador só executa instruções em endereços reais.

MMU (Memory Management Unit)

  • Traduz endereços virtuais para físicos.
  • Atua sempre que um endereço virtual é referenciado.
  • Localizada no hardware.

Tabela de mapeamento (uma por processo)

  • Contém relação entre endereços virtuais e reais.
  • Alterada a cada troca de contexto.

Registrador de base

  • Aponta para a tabela do processo corrente.

  • Tabela dividida em blocos:

  • Facilita o gerenciamento de processos com endereços virtuais grandes.

  • Quanto maior o bloco, menor o número de entradas na tabela.

TLB (Translation Lookaside Buffer)

  • Cache da MMU para endereços virtuais.
  • Se o endereço não estiver na TLB, acessa a memória.

4. Paginação

Paginação: divisão do espaço de endereçamento em blocos de tamanho fixo.

Páginas virtuais: na memória virtual.

Frames (ou páginas reais): na memória principal.

Tabela de Páginas (ETP):

  • Cada processo possui uma.
  • Cada página virtual tem uma entrada.
  • NPV (Número da Página Virtual): índice para localização.

Execução de um programa:

  • Páginas virtuais são transferidas da MS para MP quando necessário.
  • Endereço físico obtido a partir do frame e deslocamento na página.

Paginação

4.1 Bit de Validade

  • Indica se a página está na memória principal.

  • Se não estiver, ocorre page fault:

  • O processo passa de execução para espera.

  • O SO transfere a página da MS para MP (page in).

4.2 Taxa de Paginação

  • Número de page faults gerados por processo em um intervalo de tempo.

4.3 Políticas de Busca de Páginas

  1. Por demanda: carrega a página apenas quando referenciada.
  2. Antecipada (pre-paging): carrega páginas adjacentes que podem ser usadas.

4.4 Práticas de Alocação de Páginas

Alocação fixa: número fixo de frames por processo.

Alocação variável: número de frames pode mudar conforme a taxa de page faults.

4.5 Políticas de Substituição de Páginas

Page out:

  • Libera páginas quando atingido o limite de frames.
  • Verifica se a página foi modificada antes de salvar.

Page file:

  • Arquivo onde páginas modificadas são armazenadas.

Tipos:

  • Local: apenas páginas do processo que gerou o page fault.
  • Global: qualquer página da memória principal.

Working set:

  • Conjunto de páginas referenciadas recentemente pelo processo.

  • Leva em conta localidade espacial e temporal.

Algoritmos de substituição:

  • Ótimo:baseado em previsão futura (teórico).
  • Aleatório: escolhe qualquer página.
  • FIFO: remove a página mais antiga.
  • LFU: remove a menos referenciada.
  • LRU: remove a menos recentemente usada.
  • NRU:utiliza bit de referência.
  • Clock: variação do FIFO com bit de uso.

4.6 Tamanho de Páginas

Páginas pequenas: resultam em tabelas maiores, mais page faults, mas melhor uso da MP.

Páginas grandes: resulam em tabelas menores e maior fragmentação interna.

Paginação em múltiplos níveis: evita tabelas gigantes, organiza em camadas.

5. Proteção de Memória

Impede que programas alterem páginas não autorizadas e usa bits de permissão na tabela de páginas:

  • 00: sem acesso.
  • 10: leitura.
  • 11: leitura e gravação.

Segmentação: Divide memória em segmentos lógicos e facilita modularidade e organização.

Segmentação com Paginação: Grandes segmentos divididos em páginas para melhor gerenciamento.

Segmentação com Paginação