Számítógép Architektúrák

Átírás

1 A virtuális memória Horváth Gábor március 30. Budapest docens BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék

2 Virtuális tárkezelés Motiváció: Multitaszking környezet Taszkok jönnek-mennek A programunknak jutó memóriaméret változó Olcsó 64 bites processzorok Ebből pl. az AMD64 48 bitet használ: 256 TB Ennyi memóriát nem tudunk hozzáilleszteni A CPU minden programnak a teljes címtartományt felajánlja 0-tól a címtartomány tetejéig Ne legyen gond a memóriaméret Ezt a virtuális memóriát kell leképezni a fizikaiba Virtuális tárkezelés 2

3 Virtuális tárkezelés Programok: Virtuális címeket használnak CPU lábain/buszon: Fizikai címek jelennek meg Virtuális fizikai cím leképzés: Címfordítás Aki csinálja: MMU Amikor csinálja: minden memóriahivatkozáskor Egysége: Lap (fix) vagy szegmens (változó méretű) Ha nem fér mindenki a fizikai memóriába háttértárra kerül (swap-elés) 3

4 Virtuális tárkezelés 4

5 Címfordítás A virtuális címtartományt fix méretű lapokra particionáljuk A fizikai címtartományt ugyanekkora keretekre osztjuk Méretek: Lapok mérete = 2 L Alsó L bit: lapon belüli eltolás Felső bitek: virt. címeknél lapsorszám, fiz. címeknél keretsorszám Lap keret összerendeléseket tárolja: laptábla Összerendeléshez kell: Lap sorszáma Keret sorszáma Védelmi információ (írható/olvasható) Vezérlő bitek: Valid Dirty 5

6 Címfordítás 6

7 TLB Memória-hozzáférés menete: Címfordítás: Fizikai cím előállítása a virtuálisból Tényleges adat olvasás/írás a fizikai címről/címre A laptábla is a fizikai memóriában van! 1 memóriaművelet a programban 2 memóriaművelet a valóságban!! Nem elég lassú a memória e nélkül is? De. Reménység: lokalitás TLB: translation lookaside buffer A gyakran használt virtuális fizikai összerendelések cache-e Címfordításkor először a TLB-ben keres 7

8 Címfordítás TLB-vel 8

9 TLB jellemzői TLB lefedettség: a TLB bejegyzések által lefedett címtartomány Minél nagyobb, annál ritkábban kell a lassú laptáblához nyúlni TLB megvalósítása: tartalom szerint címezhető memória Nagy a felülete és sokat fogyaszt Szűkös a tárolási kapacitása :( TLB méret: bejegyzés Találat ideje: órajel TLB hiba esetén címfordítási idő: órajel TLB hibaarány: 0.01% 1% 9

10 Laptábla implementációk Cél: Címfordítás legyen minél gyorsabb virtuális cím szerinti keresés legyen gyors minél kevesebbszer kelljen a memóriához nyúlni Laptábla legyen a lehető legkisebb Eszköz: Speciális adatszerkezetek Egyszintű laptábla Többszintű (hierarchikus) laptábla Inverz laptábla (Virtualizált laptábla) 10

11 Egyszintű laptábla Laptáblabejegyzések tömbje i. bejegyzés: i. laphoz tartozó keret 11

12 Egyszintű laptábla Keresés: gyors! Bejegyzés megtalálása: pontosan 1 memóriaművelet! 12

13 Egyszintű laptábla Bejegyzés mérete: kicsi Nem kell tárolni a virtuális címet az pont az index Nem kell külön tárolni a háttértáron való elhelyezkedést 13

14 Egyszintű laptábla Gyors, kevés memória-hozzáférés kell, kicsi a bejegyzés......miért nem használ mindenki ilyet? A teljes laptáblának bent kell lennie a memóriában! Gyors kalkuláció: 32 bites esetben, 4 kb lapokkal: Lapméret: 12 bit, lapok száma: = 20 bit, 1 mega-lap 1 bejegyzés: 4 bájt elég, laptábla mérete: 4 MB 64 bites esetben, 4 kb lapokkal: Lapméret: 12 bit, lapok száma: = 52 bit, 2 52 db lap 1 bejegyzés: 8 bájt, laptábla mérete: 8 * 2 52 = 32 PB 14

15 Hierarchikus laptábla Ötlet: magát a laptáblát is lapokra bontjuk A laptábla lapok elhelyezkedését egy másik laptáblában tároljuk, azokét egy harmadikban, stb. 15

16 Hierarchikus laptábla Csak azt tartjuk a memóriában, ami tényleg kell Több memóriaművelet kell a címfordításhoz lassú! 16

17 Kétszintű laptábla, példa 17

18 Hierarchikus laptábla Gyors kalkuláció: 32 bites esetben, 4 kb lapokkal: Lapméret: 12 bit, 1 bejegyzés: 4 bájt elég Egy lapra 1024 bejegyzés fér 10 bittel indexelhető Kell 1024 laptábla lap, és még egy lap, ami ezekre mutat 32 bites cím = bites részek 2 szintű laptábla kell 64 bites esetben, 4 kb lapokkal: Lapméret: 12 bit, 1 bejegyzés: 8 bájt Egy lapra 512 bejegyzés fér 9 bittel indexelhető 64 bites cím = bites részek 6 szintű laptábla kell! 6 memóriaművelet / címfordítás!!! X86, ARM 18

19 Inverz laptábla Miért is voltak nagyok az eddigi laptáblák? Összerendelés: i. bejegyzés = i. laphoz tartozó keret Elemszám = lapok száma Fordított gondolkodás: Összerendelés: i. bejegyzés = i. keretben lévő lap száma Elemszám = keretek száma Inverz laptábla Mit nyerünk? Kicsi lesz a laptábla (fizikai memória méretével arányos) Mit vesztünk? Adott lapsorszámhoz tartozó keretet keressük A tömbünk indexei keretsorszámok, a bejegyzés tartalma a lap száma Tartalom szerint kell keresnünk! Tartalom szerinti kereséshez: hash függvény 21

20 Inverz laptábla Pl. jó hash függvény: Lapsorszám alsó bitjei 22

21 Inverz laptábla Hash mutató táblában: Pointer: Hol lehetnek az ilyen lapok a laptáblában? Laptáblában: Ebbe a bejegyzésbe én vagyok írva? Nem? Pech. Hol vannak még hozzám hasonló lapok? Követem a pointert Ebbe a bejegyzésbe már én vagyok írva? Nem. Nem baj, megyek tovább. Talán itt? Igen? Szuper. Hányadik bejegyzésen állok? 329? Akkor a fizikai memória 329-es keretében vagyok elhelyezve! 23

22 Inverz laptábla Mitől függ a memóriaműveletek száma? Először a hash mutató táblát kell kiolvasni + ahány lépést kell tenni a laptábla láncolt listájában És az mitől függ? Attól, hogy mennyire van tele a memória Normál terhelés (nincs tele a memória) 1 memóriaművelet / címfordítás (+1: hash mutató tábla) Nagy terhelés (megtelt a memória) >1 memóriaművelet / címfordítás (+1: hash mutató tábla) De akkor már úgyis mindegy (swap-eléstől lassú a rendszer) PA-RISC, PowerPC 24

23 Szoftver menedzselt TLB Eddig: laptábla bejárás hardver Csinálhatja a szoftver is! Szoftver menedzselt TLB Címfordítás: CPU a TLB-ből próbálkozik, TLB hiba: op. rendszerre bízza a címfordítást! A lap keret összerendelést az op. rendszer írja a TLB-be Op. rendszer kezeli: A TLB tartalmát A laptábla bejárást (tetszőleges adatszerkezet lehet) pl. SPARC Solaris Unix: Inverz laptáblát használ pl. SPARC Linux: Hierarchikus laptáblát használ Előnye: Nincs hardver megkötés, op. rendszer frissítéssel jöhet hatékonyabb laptábla Bonyolultabb adatszerkezetek is használhatók Hátránya: Sokkal lassabb címfordítás Példa: SPARC, Alpha, MIPS, félig a PA-RISC 25

24 Méretezési kérdések Mekkora lapokat használjunk? Nagyot, mert Nagyobb a TLB lefedettség, kevesebb a laphiba Diszk háttértár nagyot és kicsit kb. egyforma ideig tölt be Akkor már vigyünk be minél nagyobb darabot Kicsit, mert A lapon csak az van, ami kell. És ami nem kell, ne foglalja már a drága, kicsi memóriát Gyakorlatban: 4 8 kb 26

25 Címtér elkülönítés Cél: minden taszk kapja meg a teljes címtartományt (pl. 0 4 GB) Előnyök: Állandó futási környezet könnyebb szoftverfejlesztés Fordításkor ismert» a belépési pont» a globális változók címe» a függvények címe» stb. Védelmet ad Nem tudja elérni más taszkok címterét! Megoldások: Kizárólag laptáblával trükközve is lehet Vagy hardver támogatással 27

26 Címtér elkülönítés a laptáblára alapozva Megoldás: Taszkonként külön laptábla Taszkváltáskor: Laptábla kezdőpointer lecserélése TLB invalidálás! Lehetnek osztott címtartományok, ugyanazokkal a keretekkel Szükséges az op. rendszer meghívásához! 28

27 Címtér elkülönítés a laptáblára alapozva Gond: TLB ürítés taszkváltáskor Míg fel nem telik újra, lassúak a memóriaműveletek Megoldás: Címtér azonosító (ASID) taszk azonosító TLB bejegyzés mezői: lap, keret, ASID Működés: Op. rendszer taszk váltáskor egy spec. regiszterbe írja az aktuális ASID-ot A CPU csak az erre vonatkozó TLB bejegyzéseket használja A TLB több taszk laptábla bejegyzéseit is tudja tárolni! nem kell TLB invalidálás taszkváltáskor! 29

28 Címtér elkülönítés szegmentálással Logikailag egybetartozó objektumok külön szegmensbe A virtuális memóriában Bárhol kezdődhetnek Folytonosak Tetszőleges (sőt, változó) hosszúak Saját címterük van (0-tól címezhető)! Kétlépcsős címfordítás Szegmens virtuális memória (szegmensleíró tábla) Virtuális memória fizikai memória (laptábla) 30

29 Címtér elkülönítés szegmentálással Szegmensen belül: közeli címzés / ugrás Szegmenseken át: távoli címzés / ugrás X86 / 32 bites mód: taszkonként 3 szegmens: Kód / adat / stack Windows/linux nem használja X86 / 64 biten: gyakorlatilag megszünt 31

30 Fizikai címkiterjesztés Általában: virtuális memória > fizikai memória De mi van, ha nem? 32 bites CPU tud-e > 4GB memóriát? Alapesetben nem tud pointerek 32 bitesek! 1. megoldás: váltás 64 bitre inkompatibilitás Milliárdnyi lefordított 32 bites program van Nem mindig oldható meg az újrafordítás 2. megoldás: fizikai címkiterjesztés (PAE) Hack: szélesítsük ki a laptáblában a keret azonosítót! Minden program továbbra is 0 4 GB De több program együttvéve > 4GB is lehet! Viszont Szélesebb laptábla bejegyzés nő a laptábla szintek száma Más laptábla formátum op. rendszer támogatás szükséges Gyakorlatban: x86: 36 bites fizikai cím (64 GB) ARM: 40 bites fizikai cím (1 TB) 32

31 Virtuális tárkezelés a gyakorlatban 33

32 Virtuális tárkezelés a gyakorlatban x86 Szegmentálás + lapozás, gyakorlatban inkább csak lapozás Hierarchikus laptábla. Alap: 4 kb-os lapok Módok: 32 bit, PAE nélkül: 12 bit eltolás, 10 bit másodszintű, 10 bit első szintű laptábla index 32 bit, PAE: 36 bites fizikai címek támogatása (64 GB, de csak 4 GB / program!) 8 bájtos laptábla bejegyzések: 512/lap, 3 szint kell! 12 bit eltolás, 9 bit harmad, 9 bit másod, 2 bit első szintű laptábla index 64 bit: 48 bites virtuális, 40 bites fizikai címek (bővíthetők 64-ig) 8 bájtos laptábla bejegyzések: 512/lap, 4 szint kell! 12 bit eltolás, 9 bit negyed, 9 bit harmad, 9 bit másod, 9 bit első szintű laptábla index Nagy lapok: 1 szint megspórolható 34

33 Virtuális tárkezelés a gyakorlatban ARM Hierarchikus laptábla Vegyesen használható lapméretek: 4 kb (small page) 64 kb (large page) 1 MB (section) 16 MB (super section) Section / supersection: 1 szintű címfordítás Small page / large page: 2 szintű címfordítás Az ARM is tud PAE-t (Cortex A15, 40 bites fizikai címek, 1 TB RAM) Ára: egy szinttel mélyebb laptáblák ARMv8: 48 bites virtuális és fizikai címek, 4 szintű laptáblák 35

34 Virtuális tárkezelés a gyakorlatban PowerPC Inverz laptábla, de láncolt lista nélkül 2 tömböt használ: (Inverz) laptábla: lap keret összerendelések Hash tábla: Hash függvény: minden laphoz 2 hash tábla bejegyzés 1 hash tábla bejegyzés: 8 lapszám laptábla index összerendelés A lapszám a 16 laptábla bejegyzés egyikében kell legyen Ha nincs laphiba (op. rendszer kezeli) 37