Unidad 3 Administracion de memoria

Invetigacion

3.1.-Politica y filosofía

Filosofía

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.

Una de las funciones básicas que debe implementar un SO es la Administración de la Memoria para tener un control sobre los lugares donde están almacenados los datos y procesos que actualmente se están utilizando.

Política

FIFO: Los procesos se despachan de acuerdo a su tiempo de llega a la cola de procesos listos, si un proceso llega al procesador sale hasta que termine. La política FIFO actualmente no se usa como el esquema principal de un sistema, pero si por ejemplo cuando se usa una política de prioridades y hay procesos con la misma prioridad, a estos se les podría aplicar FIFO.

Ejemplos:

Round Robin: Los procesos se despachan en la forma que lo hace el FIFO, pero se les asigna una cantidad limitada de tiempo (CUANTUM) en el procesador, si no termina en ese lapso se manda al final de la lista de procesos listos

Ejemplos:

 SJF (Shortest job first - Prioridad del trabajo más corto): Se ejecuta primero el proceso en espera que tiene el menor tiempo estimado. SJF favorece a los procesos cortos, ya que los largos podrían llegar a rezagarse mucho tiempo e incluso nunca ejecutarse.

Ejemplos:

HRN: (highest response ratio next? Prioridad de la tasa de respuesta más alta): Política no apropiativa que corrige el retraso excesivo de procesos grandes que produce el SJF, para así no caer en un favoritismo excesivo por los procesos cortos, lo logra usando una formula basada en el tiempo de espera y el tiempo de servicio, con lo cual la prioridad de cada trabajo no solo está en función del tiempo de servicio sino también del tiempo que ha esperado para ser atendido.

Ejemplos:

3.2.-Memoria real

La memoria real o principal es en donde son ejecutados los programas y procesos de una computadora y es el espacio real que existe en memoria para que se ejecuten los procesos.
Por lo general esta memoria es de mayor costo que la memoria secundaria, pero el acceso a la información contenida en ella es de más rápido acceso.

Solo la memoria cache es más rápida que la principal, pero su costo es a su vez mayor.

Cuando no existe memoria virtual no hay diferenciación entre el espacio de direcciones y la memoria real; el espacio de direcciones que puede ser usado en los programas tiene idéntico tamaño al espacio de memoria real posible. Si se utiliza memoria virtual, el espacio de direcciones disponibles para los programas es aquel determinado por el tamaño de la memoria virtual implementada y no el espacio de direcciones provisto por la memoria real disponible (el espacio de la memoria virtual será mayor que el de la memoria real).

La organización y administración de la “memoria principal”, “memoria primaria” o “memoria real” de un sistema ha sido y es uno de los factores más importantes en el diseño de los S. O.

Administración de almacenamiento

Para que un sistema informático sea cómodo para los usuarios, el sistema operativo proporciona una lista lógica y uniforme del sistema de almacenamiento de la información... El sistema operativo abstrae las propiedades físicas de los dispositivos de almacenamiento y define una unidad de almacenamiento lógico, el archivo.

El sistema operativo asigna los archivos a los soportes físicos y accede a dichos archivos a través de los dispositivos de almacenamiento.

Almacenamiento del sistema de archivos

La gestión de archivos es uno de los componentes más visibles de un sistema operativo. Las computadoras pueden almacenar la información en diferentes tipos de medios físicos .Los discos magnéticos, discos ópticos y cintas magnéticas son habituales.

Un archivo es una colección de información relacionada definida por su creador. Comúnmente, los archivos representan programas (tanto en formato fuente como en objeto) y datos. Los archivos de datos pueden ser numéricos, alfabéticos, alfanuméricos o binarios. Los archivos pueden tener un formato libre (como, por ejemplo, los archivos de texto) o un formato rígido, como por ejemplo una serie de campos fijos.

Jerarquía

Los programas y datos tienen que estar en la memoria principal para poder ejecutarse ser referenciados.
Los programas y datos que no son necesarios de inmediato pueden mantenerse en el almacenamiento secundario.
El almacenamiento principal es más costoso y menor que el secundario pero de acceso más rápido.
Los sistemas con varios niveles de almacenamiento requieren destinar recursos para administrar el movimiento de programas y datos entre niveles.

Un nivel adicional es el “cache” o memoria de alta velocidad, que posee las siguientes características:

• Es más rápida y costosa que la memoria principal.
• Impone al sistema un nivel más de traspaso:
• Los programas son traspasados de la memoria principal al cache antes de su ejecución.
• Los programas en la memoria cache ejecutan mucho más rápido que en la memoria principal.
• Al utilizar memoria cache se espera que:
• La sobrecarga que supone el traspaso de programas de un nivel de memoria a otro sea mucho menor que la mejora en el rendimiento obtenida por la posibilidad de una ejecución mucho más rápida en la cache.

Estrategias de Administración de Memoria

Se dividen en las siguientes categorías:

• Estrategias de búsqueda:
• Estrategias de búsqueda por demanda.
• Estrategias de búsqueda anticipada.
• Estrategias de colocación.
• Estrategias de reposición.

Las “estrategias de búsqueda” están relacionadas con el hecho de cuando obtener el siguiente fragmento de programa o de datos para su inserción en la memoria principal.
En la “búsqueda por demanda” el siguiente fragmento de programa o de datos se carga al almacenamiento principal cuando algún programa en ejecución lo referencia.
Se considera que la “búsqueda anticipada” puede producir un mejor rendimiento del sistema.
Las “estrategias de colocación” están relacionadas con la determinación del lugar de la memoria donde se colocara (cargara) un programa nuevo.
Las “estrategias de reposición” están relacionadas con la determinación de que fragmento de programa o de datos desplazar para dar lugar a los programas nuevos.

Multiprogramación de partición fija, Partición Variable de intercambio de almacenamiento

Multiprogramación de Partición Fija.
Los sistemas de un solo usuario desperdician gran cantidad de recursos computacionales debido a que:

• Cuando ocurre una petición de e / s la CPU normalmente no puede continuar el proceso hasta que concluya la operación de e / s requerida.

Los periféricos de e / s frenan la ejecución de los procesos ya que comparativamente la CPU es varios ordenes de magnitud más rápida que los dispositivos de e / s.

• Un trabajo en espera de e / s cederá la CPU a otro trabajo que esté listo para efectuar cómputos.
• Existe paralelismo entre el procesamiento y la e / s.
• Se incrementa la utilización de la CPU y la capacidad global de ejecución del sistema.
• Es necesario que varios trabajos residan a la vez en la memoria principal.

Multiprogramación de Partición Fija: Traducción y Carga Absolutas.
Las “particiones” del almacenamiento principal:

• Son de tamaño fijo.
• Alojan un proceso cada una.
• La CPU se cambia rápidamente entre los procesos creando la ilusión de simultaneidad.

Multiprogramación de Partición Fija: Traducción y Carga Relocalizables.
       Los compiladores, ensambladores y cargadores de relocalización (Ver figura 3.2.5.3)):

• Se usan para producir programas relocalizables que puedan ser ejecutados en cualquier partición disponible de tamaño suficiente para aceptarlos.
• Son más complejos que los absolutos.
• Mejoran la utilización del almacenamiento.

3.3.- Organización de memoria virtual

Memoria Virtual
La memoria virtual es una técnica para proporcionar la simulación de un espacio de memoria mucho mayor que la memoria física de una máquina. Ésta ilusión permite que los programas se hagan sin tener en cuenta el tamaño exacto de la memoria física.

La memoria virtual ha llegado a ser un componente esencial de la mayoría de los S.O actuales. Y como en un instante dado, en la memoria solo se tienen unos pocos fragmentos de un proceso dado, se pueden mantener más procesos en la memoria.
La memoria virtual también simplifica la carga del programa para su ejecución llamado reubicación, este procedimiento permite que el mismo programa se ejecute en cualquier posición de la memoria física

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Evaluación de las Organizaciones de Almacenamiento

Almacenamiento virtual "significa la capacidad de direccional un espacio de almacenamiento mucho mayor que el disponible en el almacenamiento primario de determinado sistema de computación”.
Los métodos más comunes de implementación son mediante:

• Técnicas de “paginación”.
• Técnicas de “segmentación”.
• Una combinación de ambas técnicas.

Las direcciones generadas por los programas en su ejecución no son, necesariamente, aquellas contenidas en el almacenamiento primario (memoria real), ya que las direcciones virtuales suelen seleccionarse dentro de un número mucho mayor de direcciones que las disponibles dentro del almacenamiento primario.
La evolución en las organizaciones de almacenamiento puede resumirse como sigue:

• Real:
• Sistemas dedicados a un solo usuario.
• Real:
• Sistemas de multiprogramación en memoria real:
• Multiprogramación en partición fija:
• Absoluta.
• Relocalizarla (reubicadle).
• Multiprogramación en partición variable.
• Virtual:
• Multiprogramación en almacenamiento virtual:
• Paginación pura.
• Segmentación pura.
• Combinación paginación / segmentación.

Paginación

El termino memoria virtual se asocia normalmente con sistemas que emplean paginación, aunque también se puede usar memoria virtual basada en la segmentación. El uso de la paginación en la memoria virtual fue presentado por primera vez en el computador Atlas.

Cada proceso tiene su propia tabla de páginas y cuando carga todas sus páginas en la o memoria principal. Puesto que solo algunas de las páginas de un proceso pueden estar en la memoria principal, se necesita un bit en cada entrada de la tabla para indicar si la página perteneciente está presente en la memoria principal o no. Si el bit indica que la pagina está en la memoria, la entrada incluye también el número de marco para esa página.

Otro bit de control necesario en la entrada de la tabla de páginas es el bit de modificación (M), para indicar si el contenido de la página correspondiente se ha alterado desde que la página se cargó en la memoria principal.

Con la memoria virtual, la CPU produce direcciones virtuales que son traducidas por una combinación de hardware y software a direcciones físicas, pues pueden ser utilizadas para acceder a memoria principal. Este proceso se denomina correspondencia de memoria o traducción de direcciones. Actualmente los dos niveles de la jerarquía de memoria controlados por la memoria virtual son las DRAM y los Discos magnéticos.

Segmentación

La segmentación permite al programador contemplar la memoria como si constara de varios espacios de direcciones o segmentos. Los segmentos pueden ser de distintos tamaños, incluso de forma dinámica. Las referencias a la memoria constan de una dirección de la forma (número de segmento, desplazamiento).

Esta organización ofrece al programador varias ventajas sobre un espacio de direcciones no segmentado:
1. Simplifica la gestión de estructuras de datos crecientes. Si el programador no conoce a priori cuan larga puede llegar a ser una estructura de datos determinada, es necesario suponerlo a menos que se permitan tamaños de segmentos dinámicos. Con memoria virtual segmentada, a la estructura de datos se le puede asignar a su propio segmento y el S.O expandirá o reducirá el segmento cuando se necesite.
2. Permite modificar y recopilar los programas independientemente, sin que sea necesario recopilar o volver a montar el conjunto de programas por completo.
3. Se presta a la comparación entre procesos. Un programador puede situar un programa de utilidades o una tabla de datos en un segmento que puede ser referenciado por otros procesos.
4. Se presta a la protección. Puesto que un segmento puede ser construido para albergar un conjunto de procedimientos y datos bien definido, el programador o el administrador del sistema podrán asignar los permisos de acceso de la forma adecuada.

Sistema de pagmentación / segmentación  

La paginación y la segmentación puras son métodos de manejo de memoria bastante efectivos, aunque la mayoría de los sistemas operativos modernos implantan esquemas combinados, es decir, combinan la paginación y la segmentación.

Por cada segmento se tiene una dirección a una tabla de páginas. Cada tabla de páginas tiene las direcciones de las páginas que componen a un solo segmento. Por ejemplo, el segmento `A' puede estar formado por las paginas reales `a','b','c','p' y `x'. El segmento `B' puede estar compuesto de las paginas `f','g','j','w' y `z'.      Otro aspecto importante es la estrategia para cargar páginas (o segmentos) a la memoria RAM.

3.4.- Administración de memoria virtual

La clave del concepto de memoria (almacenamiento) virtual está en la disociación:

• De las direcciones a las que hace referencia un programa.
• De las direcciones disponibles en la memoria real (almacenamiento primario).

Mientras el proceso se ejecuta con sus páginas actuales, el sistema carga las demás páginas que estarán disponibles cuando las requiera el proceso.
El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y a continuación precarga estas páginas cuando hay espacio disponible Mientras el proceso ejecuta sus páginas actuales, el sistema carga páginas nuevas que estarán disponibles cuando el proceso las pida, debido a ello, el tiempo de ejecución de un proceso se puede reducir.

Estrategia de administración

Determinan cuando se debe de transferir una página o un segmento de almacenamiento secundario al primario. Las estrategias de obtención por demanda esperan a que un proceso en ejecución haga referencia a una página o un segmento antes de traer la página o el segmento de almacenamiento primario.

Estrategias de Colocación

 Determinan en qué lugar del almacenamiento primario se debe colocar una página o un segmento entrante. Una página entrante se puede colocar en cualquier marco de página disponible.

Estrategias de Reemplazo

Sirven para decidir cuál página o segmento se debe desplazar para dar espacio a una página o segmento entrante cuando está completamente ocupado el almacenamiento primario.

Técnicas de reemplazo de página

Las rutinas de administración de almacenamiento del Sistema operativo deben decidir que página del almacenamiento primario se debe desplazar para dejar espacio a una página entrante.

Principio de Optimalizad
Para obtener un rendimiento óptimo, la página que se debe reemplazar es aquella que tardara más tiempo en ser utilizada. Esta estrategia óptima de reemplazo se denomina OPT o MIN.

Reemplazo de Páginas aleatorio
Es una técnica sencilla. Todas las páginas que se encuentran en el almacenamiento principal tienen la misma probabilidad de ser elegidas para el reemplazo. Esta estrategia podría seleccionar cualquier página para ser reemplazada, incluyendo la siguiente página la que se hará referencia. Las decisiones de reemplazo aleatorio se dé páginas se pueden tomar rápidamente y con un número significativo de marcos de página. Es un esquema que casi no se utiliza por su enfoque aleatorio de acertar o errar.

Reemplazo de páginas de primeras entradas-primeras salidas (PEPS)
Cada página se registra en el instante que entro en el almacenamiento primario. Cuando se necesita reemplazar una página, se escoge la que ha permanecido en el almacenamiento durante el mayor tiempo.

Anomalías PEPS
Belady, Nelson y Shelder descubrieron que al utilizar el reemplazo de páginas PEPS, ciertos patrones de referencia a página originan más fallas de páginas cuando aumenta el número de marcos de página asignados a un proceso. Este fenómeno se denomina Anomalía PEPS o anomalía Belady. La columna de la izquierda indica el patrón de referencias a páginas de un proceso.

Paginación por demanda

Considere como podría cargarse un programa ejecutable desde el disco a la memoria. Una opción consiste encargar el programa completo en memoria física en el momento de ejecutar el programa. Sin embargo, esta técnica presenta el problema de que puede que no necesitemos inicialmente todo el programa en la memoria. Las páginas de un proceso deben cargarse por demanda. No se debe transferir ninguna página al almacenamiento secundario al primado hasta que un proceso en ejecución haga explícitamente referencia a ella.

Paginación anticipada

 En la paginación anticipada, el sistema operativo intenta predecir las páginas que necesitara un proceso y entonces carga dichas cuando hay espacio disponible.

Mientras el proceso se ejecuta con sus páginas actuales, el sistema carga las demás páginas que estarán disponibles cuando las requiera el proceso.

El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y a continuación precarga estas páginas cuando hay espacio disponible Mientras el proceso ejecuta sus páginas actuales, el sistema carga páginas nuevas que estarán disponibles cuando el proceso las pida, debido a ello, el tiempo de ejecución de un proceso se puede reducir.

Liberación de página

En la paginación anticipada, el sistema operativo intenta predecir las páginas que necesitara un proceso y entonces carga dichas cuando hay espacio disponible.

Mientras el proceso se ejecuta con sus páginas actuales, el sistema carga las demás páginas que estarán disponibles cuando las requiera el proceso.

El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y a continuación precarga estas páginas cuando hay espacio disponible Mientras el proceso ejecuta sus páginas actuales, el sistema carga páginas nuevas que estarán disponibles cuando el proceso las pida, debido a ello, el tiempo de ejecución de un proceso se puede reducir.

Tamaño de la página

Generalmente el almacenamiento real se divide en marcos o celdas de página de tamaño fijo.

Los interrogantes tienen que ver con el tamaño de las paginas, si todas las paginas tendrán igual tamaño, si en caso de utilizar páginas de diferente tamaño las paginas mayores deben ser o no múltiplos enteros de las menores, etc.

      Algunas consideraciones para determinar el tamaño de página son las siguientes:

• Cuanto más pequeño sea el tamaño de una página, más páginas y marcos de páginas habrá y mayores serán las tablas de página.

El desperdicio de almacenamiento debido al tamaño excesivo de las tablas de página se llama “fragmentación de tablas”.

Esto indica la necesidad de páginas más grandes.

• Con paginas grandes, grandes cantidades de información que nunca llegaría a ser referenciada, se paginaran hacia el almacenamiento primario

Esto indica la necesidad de páginas más pequeñas.