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Unidad I Administración de la
Memoria
M.C. Juan Carlos Olivares Rojas
Temario
1.1 Política y filosofía de A.M.
1.2 Mecanismos de asignación
1.3 Estrategias de Asignación
1.4 En concepto de memoria virtual
1.5 Mecanismos de localización
Temario
1.6 Implantación de mecanismos de memoria
virtual
1.6.1 Base limite
1.6.2 Segmentación
1.6.3 Paginación
1.6.4 Segmentación paginada
1.7 Mapa de Memoria
1.8 Memoria expandida
1.9 Memoria extendida
1.0 Introducción
• ¿Qué es un sistema operativo?
• Es el software que controla la computadora, sirve
de interfaz hombre-máquina. Administra los
recursos de un sistema de cómputo hardware y
software.
• Recordar que un sistema es un conjunto de
elementos que están interrelacionados entre sí
para lograr un fin común.
Introducción
• La final de un sistema operativo es poder
operar (manejar) una computadora.
• Es el software principal de la computadora
que se encarga al encenderlo. Existen
sistemas operativos muy básicos, por
ejemplo
las
consolas
actuales
de
videojuegos cuentan con un sistema
operativo en ROM para realizar muchas
cosas.
Introducción
• El desarrollo de los sistemas operativos está
influenciado por el desarrollo tecnológico, el
cual tiene como premisas (función objetivo):
• Reducir el esfuerzo (minimizar la frontera
hombre-máquina).
• Maximizar el rendimiento de los recursos
Introducción
• Los principales recursos que administra un
sistema operativo son:
• Administración de procesos (programas en
ejecución, tareas)
• Administración
de
E/S
(dispositivos,
periféricos)
• Administración de memoria
• Administración de archivos
Introducción
• Tanto la administración de memoria y
archivos se encargan sobre el mismo
recurso: espacio de almacenamiento, sólo
varían el tipo de almacenamiento: primario
(memoria RAM y ROM) y secundario (discos
duros, discos flexibles, discos ópticos, etc.).
• La parte esencial de cualquier sistema
operativo se llama núcleo.
Introducción
• Dependiendo del tipo de sistema operativo
dependerá las acciones a realizar el sistema
operativo.
• No es la misma administración de recursos
para un sistema monousuario que para uno
multiusuario,
que
por
ejemplo
la
administración de procesos en un sistema
multitarea o de tiempo compartido.
Introducción
• Los
sistemas
operativos
trabajan
generalmente en modo supervisor que a
diferencia del modo usuario (en donde se
ejecutan los demás programas) no está
limitado y puede realizar cualquier operación
por la computadora.
• Los sistemas operativos son totalmente
dependiente
de
la
arquitectura
de
computadoras.
Introducción
• Por este motivo sistemas operativos como
Windows no pueden ejecutarse sobre
arquitecturas como Power PC, sino que está
ligado a una arquitectura Intel x86.
• Recientemente
han
aparecido
microprocesadores con palabras de 64 bits,
para ellos se utilizan variaciones del sistema
operativo para un manejo óptimo de los
recursos.
Introducción
• Actualmente
los
sistemas
operativos
soportan multitarea y concurrencia de
manera nativa soportando sistemas de
múltiples procesadores y/o núcleos.
• Para el bueno uso de los recursos se
utilizarán políticas y mecanismos de control.
Por lo que un sistema operativo se encarga
de planificar, controlar, dirigir y ejecutar
operaciones del sistema.
Introducción
• Los programas pueden acceder directamente
a algunas funciones en modo supervisor del
sistema haciendo llamadas al sistema.
• Un sistema operativo por lo tanto tiene una
interfaz hacia el usuario y otra interfaz hacia
los programas (programadores).
• En UNIX esa distinción no existía.
Introducción
• Así como el hardware y software son
recursos no excluyentes (son un binomio). El
sistema operativo está en la mitad de esos
dos recursos.
• Toda computadora tiene un sistema
operativo aunque este sea muy básico. Por
ejemplo una calculadora científica puede
contar con un menú de administración.
Introducción
• Esto a dado hincapié a sistemas operativos
cada vez más especializados y robustos.
• Actualmente la tendencia es hacia los
sistemas operativos para dispositivos
empotrados: ATM, Relojes, PDAs, celulares,
electrodomésticos, etc.
• Los otros tipos de sistemas operativos que
están en boga son los de tiempo real.
1.1 Política y filosofía de A.M.
• Una de las principales características de una
computadora es la capacidad que tienen
para almacenar datos e información.
• El primero en tener la idea de almacenar un
programa en una computadora fue Jonh Von
Neumman (participante en la ENIAC).
• El utilizó la memoria para almacenar datos y
programas.
Concepto de memoria
• La memoria principal puede ser considerada
como un arreglo lineal de localidades de
almacenamiento de un byte de tamaño.
Cada localidad de almacenamiento tiene
asignada una dirección que la identifica.
• La memoria principal es el lugar donde el
CPU lee las instrucciones a ejecutar, así
como algunos datos a emplear.
Memoria
• ¿Por qué es importante la memoria?
• Programas = Algoritmos + Estructuras de
Datos
• Estructuras de Datos (pilas, listas, colas,
etc.) son memoria.
Conceptos de memoria
• Existen dos tipos de memoria primaria: volátil
(RAM) y no volátil (ROM).
• La memoria volátil es parecida a un pizarrón.
Puede perder los datos.
• El administrador de memoria se va a encargar de
gestionar la memoria RAM. La memoria ROM sólo
la utiliza para funciones específicas.
Memoria
• La memoria se puede ver como un casillero
en el cual se almacena información.
• La memoria puede ser estática o dinámica
dependiendo de cómo se gestione.
• La memoria está divida en secciones de
código, datos estáticos, Pila y el Heap
(monton).
Conceptos de memoria
• Todo sistema operativo tiene un mapa de
memoria que indica como están administrada
la memoria y que partes se pueden ocupar.
• La filosofía del administrador de memoria
consiste en optimizar el uso de este recurso,
ya que la memoria es uno de los
componentes críticos de todo sistema de
cómputo.
Mapa de Memoria
• Mapa de Memoria de Windows
Volcado de memoria
• Vista del estado de la memoria a través del
comando debug.
Memoria
• La principal problemática de la memoria
principal es que no es persistente. Por este
motivo se tienen que implementar estrategias
de almacenamiento y recuperación de
información.
• Las operaciones básicas que se realizan
sobre una memoria son dos: lectura (r) y
escritura (w).
Memoria
• Las operaciones anteriores son a nivel
usuario. A nivel sistema se tienen llamadas
al sistema como malloc, free, allocate, etc.
También debe proporcionar opciones de
bloqueo y desbloqueo (protección).
• La ley de Parkinson dice: “los programas se
expanden hasta llenar la memoria disponible
para contenerlos”.
Administrador de memoria
• Sirve para tener un control sobre los lugares
donde están almacenados los procesos y
datos que actualmente se están utilizando.
• Las políticas de administración de memoria
generalmente son duras, es decir no
modificables, pero se pueden configurar
algunos parámetros para su mejor uso.
Administrador de Disponibilidad
• Tanto el administrador de memoria y el de
archivos son ejemplos claros de un
administrador de disponibilidad sobre
recursos.
• La memoria basa sus políticas y mecanismos
en base a jerarquía. Por ejemplo se tienen
los registros en el microprocesador, la
memoria caché y la RAM
Políticas de asignación
• La memoria caché es una memoria de
acceso rápido. Es finita, se utiliza en muchos
niveles
como
por
ejemplo
en
microprocesadores, servicios como la Web,
etc.
• Otro ejemplo de memoria son los buffer o
memorias temporales de E/S
Políticas de asignación
• Pueden ser locales o globales. Es más difícil
obtener una buena administración local.
• Las políticas en general son globales
mientras los mecanismos son locales
Ejemplos de memoria
• Las tendencias actuales sobre el manejo de
memoria indican el uso en diversas
aplicaciones:
• Portapapeles: permite guardar
transferirlo a otros programas.
datos
y
• Uso de base de datos en memoria. Algunas
versiones de MySQL Lite permiten hacerlo.
Ejemplos de memoria
• Las computadoras actuales permiten guardar
los datos al apagar una computadora, para
tener un mejor desempeño (hibernación,
suspensión).
• Los punteros permiten desplazarnos por las
localidades de memoria. Una variable es una
localidad de memoria.
1.2 Mecanismos de asignación
• Un mecanismo de asignación determina la
cantidad de bloques (particiones) que serán
administrados en la memoria.
• El esquema básico de asignación consiste
en particionar (dividir) la memoria en
diferentes partes.
• Existen 3 mecanismos de Asignación:
Mecanismos de asignación de
memoria
• Asignación de una partición. En la memoria
se considera la existencia de una sola
partición, esto es, se tiene la capacidad de
ejecutar un proceso.
• La partición es toda la memoria, cuya
administración corre por cuenta del usuario,
o sea, no hay un sistema operativo.
Mecanismos de asignación de
memoria
• Asignación de dos particiones. La memoria
se divide en 2 bloques. En una partición se
carga el Sistema Operativo y en la otra el
programa del usuario.
• Es el concepto de Sistema Operativo
Monousuario. Existen direcciones que un
programa no puede acceder.
Mecanismos de asignación de
memoria
• Asignación de múltiples particiones.
La
memoria es dividida en varias particiones
una para el Sistema Operativo y las demás
para los procesos de usuarios u otras
funciones especiales del Sistema Operativo.
• Este es el concepto teórico de asignación de
memoria en los Sistemas Operativos de
Multiparticiones y de Multitarea.
1.3 Estrategias de asignación de
memoria
• Una estrategia de asignación de memoria
determina el lugar donde será cargado un nuevo
proceso en base a un criterio. Las estrategias de
asignación son:
• Primer ajuste. El Sistema Operativo asigna el
primer bloque de memoria libre con espacio
suficiente para satisfacer la información. La
búsqueda de este bloque es de manera secuencial.
Estrategias de asignación de
memoria
• Mejor ajuste. El sistema operativo busca el
bloque de memoria que represente el menor
desperdicio según el requerimiento.
• Peor ajuste. El sistema operativo asigna el
bloque mas grande que encuentre.
Estrategias de asignación
• Existen otras estrategias de asignación poco
implementadas como:
• Siguiente ajuste: en este esquema se accede
a la siguiente partición de memoria
disponible, es semejante al primer ajuste. Es
útil para garantizar espacios extras.
Estrategias de asignación
• Listas variables: en este esquema, se
propone un forma de mejorar el acceso a las
unidades
de
asignación
(partición)
disponibles.
• Este método mantiene varias listas con
diferentes tamaños de particiones. La
desventaja radica en actualizar la lista de
control de dichas particiones.
Complejidad de los mecanismos y
estrategias de asignación
• Cualquier método para manejar la disponibilidad de
la memoria presenta inconvenientes como:
•
•
•
•
Fragmentación
Overhead
Relocalización de programas
Trashing (sacar un programa inmediatamente
después de haber sido asignado memoria)
1.4 Concepto de Memoria virtual
• Es un método mediante el cual, un sistema
operativo simula tener mas memoria principal que
la que existe físicamente. Para implementar la
memoria virtual se utiliza un medio de
almacenamiento secundario de alta velocidad de
acceso, generalmente en disco duro de la maquina.
• Se utiliza la paginación como método de
administración de memoria básica y algún
mecanismo de intercambio.
Memoria virtual
• En las tablas de paginas se agrega un campo mas
a cada entrada: el bit valido/invalido (p).
• En los procesadores 80386 y posteriores, que
indica si la página a la que se está haciendo
referencia en un momento dado se encuentra en la
memoria principal (válido) o en el disco duro
(inválido). Cuando el sistema operativo haga
referencia a una página inválida, deberá ir al disco
duro y cargarla a memoria principal para continuar
el procesamiento.
1.5 Mecanismos de localización
• Los mecanismos de localización hacen referencia a
la forma en como se puede ubicar un programa en
memoria.
• Los programas se localizan en base a un
mecanismo y estrategia de asignación.
• La relocalización de un programa es más
complicado ya que implica volver asignar un nuevo
programa en memoria cuidando los demás
espacios.
1.6 Implantación de mecanismos de
memoria virtual
• Existen 2 métodos para cargar programas en
memoria:
• Demanda de página: consiste en iniciar la
ejecución de los procesos sin páginas cargadas,
estas se irán cargando conforme el proceso las
demande.
• Prepaginación: consiste en que el sistema
operativo predice cuales páginas se ocuparán
durante la ejecución de un proceso.
Algoritmos de descarga (Reemplazo)
• Se utiliza para determinar cuales páginas
serán descargadas hacia el disco duro
cuando se quiera cargar nuevas paginas y
no haya memoria libre. Existen 3 algoritmos
básicos:
• MIN: Consiste en descargar la o las páginas
que no se necesitarán en el periodo de
tiempo más largo en el futuro. Esta
implementación es imposible.
Algoritmos de descarga (Reemplazo)
• FIFO: Consiste en tener un contador de
tiempo para cada pagina para descargar las
mas viejas.
• LRU (Least Recently Used): Consiste en
descargar las últimas páginas usadas (se
usa el pasado para predecir el futuro). Lo
utiliza Windows.
1.6.1 Base límite
• El registro base y el registro límite pueden
servir para localizar direcciones de memoria.
• El registro base sirve como referencia para
ubicar una dirección en particular y el registro
límite
ayuda
a
determinar
si
el
desplazamiento de una dirección está por
encima del área asignada. Este mecanismo
sirve de protección para la memoria.
1.6.2 Segmentación
• Un método de asignación de memoria es la manera
mediante la cual el Sistema Operativo lleva el
control de la memoria tratando de que sea lo más
eficiente posible. Los métodos de asignación más
comunes son:
• Segmentación: Este método consiste en la
asignación de bloques de memoria de tamaño
variable, llamados segmentos. El tamaño de cada
segmento será el requerido según la petición, por
ejemplo el tamaño del proceso a cargar.
Métodos de asignación de memoria
• El tamaño máximo para un segmento estará
determinado por la capacidad de direccionamiento
del hardware de la computadora, esto es, de
cuantos bits se dispone para almacenar una
dirección.
• El acceso a cada elemento individual en la
memoria se hace mediante una dirección de
memoria que se integra por dos elementos: una
dirección de segmento y una de desplazamiento.
Segmentación
• La combinación (suma) de la dirección de
segmento y la de desplazamiento generan la
dirección de memoria absoluta a acceder.
• Dado que en cada proceso se manejan
direcciones lógicas, el sistema operativo
debe obtener una dirección lógica. El sistema
operativo debe también asegurarse de que
cada dirección lógica esté dentro del rango
de direcciones empleado por el proceso.
Direccionamiento DOS
• MS-DOS (Segmentación)
• 8086 (16 Bits) 220=1,048,576 = 1MB.
• 80286 (16 Bits) Puede funcionar de alguno
de los 2 modos:
• Modo real = 8086
• Modo protegido:
– Para cada programa se implementa una tabla de
descriptores.
Direccionamiento DOS
• Modo protegido
– Capacidad
de
direccionamiento.
16,777,216 = 16MB
224
=
• Windows (Segmentación o Paginación)
• 80386 (32 Bits), 486, Pentium
– Capacidad
de
direccionamiento.
4,294,967,296 = 4GB
232
=
Segmentación en DOS
• Si un programa trata de asignar un bloque de
memoria de cierto tamaño, DOS busca un
bloque apropiado, si lo encuentra, se
modifica para que pertenezca al proceso
solicitado.
• Si el bloque es demasiado grande, DOS
divide en un bloque asignado y un nuevo
bloque libre.
Segmentación DOS
• Cuando un programa libera un bloque de
memoria, MS-DOS lo modifica para indicar
que está disponible.
• Cuando un programa reduce la cantidad de
memoria que necesita, MS-DOS crea un
nuevo bloque de control de memoria para la
memoria liberada.
Tipos de segmentos
• Segmentos de datos: sólo se puede leer y escribir,
pero no se puede ejecutar código de programa.
• Segmento de código: se puede ejecutar código
pero no puede leer ni escribir.
• Segmento del sistema: describe diferentes tipos de
segmentos que todos ellos sirven para la gestión
del modo protegido.
1.6.3 Paginación
• Consiste en considerar el espacio de
direcciones lógicas de cada proceso como
un conjunto de bloques de tamaño
consistente
llamados
paginas.
Cada
dirección lógica manejada para un proceso
estará conformada por un par de valores
[pagina: desplazamiento].
Implementación de mecanismos de
paginación
• La tabla de paginas se implementa completamente
en hardware (ventaja: se obtiene una alta velocidad
de acceso a memoria. Desventaja: resulta
problemática cuando la tabla de páginas debe ser
grande).
• Implementar la tabla de páginas en la memoria
principal (ventaja: la tabla de paginas puede crecer
según se requiera. Desventaja: la velocidad de
acceder a memoria es relativamente baja, dado
que cada referencia a memoria involucra 2
accesos.
Swap
• El swap es la forma en como se intercambia
una partición de memoria por otra.
Generalmente se utiliza en técnicas basadas
en paginación.
• Se ocupa de una administración adecuada
del sistema de archivos para permitir
paginación.
Swap
• Un ejemplo claro de intercambio es la
famosa función de intercambio
int swap(int a, int b) {
int aux = a;
a = b;
b = aux;
}
Esquema de paginación Windows
• Windows '95 implementa memoria virtual
mediante un esquema paginado, tomando
como
base
la
arquitectura
de
direccionamiento del procesador Intel 80386
y posteriores.
• El algoritmo de carga/descarga de páginas
empleado es el LRU (Least Recently Used)
mediante el cual se descargan a disco las
páginas menos recientemente usadas.
Esquema de paginación Windows
• En el disco se genera un archivo de
intercambio que contendrá las paginas que
se vayan descargando.
• Cada página correspondiente a una
aplicación tiene asignado un manejador
(Handler) a un descriptor/paginador (PD)
almacenado en ella.
Esquema de paginación Windows
• Un PD contiene las direcciones de las rutinas
utilizadas para la transferencia de páginas
entre la memoria física y el disco.
• Cuando se requiera cargar o descargar una
página, el paginador hará una llamada a la
función apropiada dependiendo del estado
que la página tenga en ese momento. Los
posibles estados de una página son los
siguientes.
Esquema de paginación de Windows
• Virgen: significa que el contenido de la
página no se ha modificado durante su
tiempo de vida. Por ejemplo, las paginas de
código EXE por lo general permanecen
vírgenes.
• Corruptas: significa que el contenido de la
página se ha modificado al menos una vez
desde que se creó. Por ejemplo las páginas
de datos.
Esquema de paginación de Windows
• Limpia: significa que el contenido de la
página corrupta no fue modificado desde la
última vez que se cargó.
• Sucia: el contenido de una página corrupta
fue modificado desde la última vez que se
cargó (por lo que será necesario "guardarlo"
nuevamente en el archivo de intercambio).
Esquema de paginación de Windows
• Los nombres y tarea que realizará cada una
de las funciones PD son:
•
•
•
•
•
•
Pd_virgin: cargar pagina virgen.
Pd_taintedin: cargar pagina corrupta.
Pd_cleanout: descargar pagina limpia.
Pd_dirtyout: descargar pagina sucia.
Pd_virginfree: liberar pagina virgen.
Pd_taintedfree: liberar pagina corrupta.
1.6.4 Segmentación Paginada
• Algunos sistemas operativos como Multics y la
Serie 370 de IBM combinan las técnicas de
segmentación y paginación para una mejora de los
procesos.
• El proceso es el siguiente:
• Se hace la solicitud de acceso por medio de una
dirección "V" la cual contiene los campos
Segmento, Página y Desplazamiento.
Segmentación/Paginación
• Con el campo Segmento, lo que se trata es
de acceder a una Tabla de segmentos, cada
campo de dicha tabla apunta directamente a
la tabla de páginas asignada para ese
segmento conteniendo una dirección que
será sumada a una dirección en la Tabla
Asociativa para por fin formar una dirección
real con el desplazamiento de "V".
1.7 Mapa de Memoria
• El mapa de memoria es la forma en como
está distribuida las particiones de memoria
de un sistema operativo.
• El mapa de memoria ubica áreas de
asignación a semejanza de un plano en
donde se tienen países, estados, etc.
Mapa de memoria
• El mapa de memoria va a depender del
sistema operativo y de la arquitectura de
hardware del sistema de cómputo.
• El mapa de memoria puede ser totalmente
independiente entre diferentes sistemas
operativos que corren sobre la misma
arquitectura.
1.8 Memoria expandida
• Es un tipo especial de memoria paginada en
la cual se puede obtener acceso a más
memoria que la que el podía direccionar (640
KB), por lo que se accedería el rango de 640
KB a 1 MB que está orientado a drivers de
controladores en memoria ROM.
• Desde el 80386 los micros pueden utilizar
memoria expandida sin ningún problema.
1.9 Memoria extendida
• La memoria extendida es aquella que sobre
pasa 1 MB de memoria RAM y que es
accesible en procesadores 80286 y
superiores.
• Este tipo de memoria DOS no la maneja de
manera nativa. Windows la maneja sin
necesidad de algún controlador especial.
Referencias
• Tutorial de Sistemas Operativos 2. Instituto
Tecnológico
de
la
Paz.
http://sistemas.itlp.edu.mx/tutoriales/sistemas
operativos2/ [agosto 2007]
• Tanebaum, A., Woodhull, A. (1997) Sistemas
Operativos. Diseño e Implementación.
México, Prentice Hall. ISBN: 970-17-0165-8.
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