Bài giảng Hệ điều hành - Chương 3: Quản lý bộ nhớ

Hệ Điều Hành

(Nguyên lý các hệ điều hành)

Đỗ Quốc Huy

huydq@soict.hust.edu.vn

Bộ môn Khoa Học Máy Tính

Viện Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông

Chương 3 Quản lý bộ nhớ

l Mục đích của hệ thống máy tính: thực hiện chương trình

l Chương trình và dữ liệu (toàn bộ hoặc một phần) phải nằm trong bộ

nhớ chính trong khi thực hiện

l Byte tích cực:Những byte nội dung đang được thực hiện tại thời

điểm quan sát

l Phần chương trình chưa đưa vào bộ nhớ chính được lưu trên bộ nhớ

thứ cấp (VD: đĩa cứng)⇒ Bộ nhớ ảo

l Cho phép lập trình viên không lo lắng về giới hạn bộ nhớ vật lý

l Để s/d CPU hiệu quả và tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống:

l Cần luân chuyển CPU thường xuyên giữa các tiến trình

Điều phối CPU (Phần 3- Chương 2)

l Cần nhiều tiến trình sẵn sàng trong bộ nhớ

l Hệ số song song của hệ thống: Số tiến trình đồng thời tồn tại trong

hệ thống

l Tồn tại nhiều chiến lược quản lý bộ nhớ khác nhau

l Nhiều chiến lược đòi hỏi trợ giúp từ phần cứng

l Thiết kế phần cứng có thể được tích hợp chặt chẽ với HDH

Chương 3 Quản lý bộ nhớ

①Tổng quan

②Các chiến lược quản lý bộ nhớ

③Bộ nhớ ảo

④Quản lý bộ nhớ trong VXL họ Intel

Chương 3 Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

lVí dụ

lBộ nhớ và chương trình

lLiên kết địa chỉ

lCác cấu trúc chương trình

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.1 Ví dụ

Quá trình biên dịch file C

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.1 Ví dụ

Quá trình biên dịch file C

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.1 Ví dụ

Quá trình biên dịch file C

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.1 Ví dụ

Quá trình biên dịch file C

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.1 Ví dụ

Quá trình biên dịch file C

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.1 Ví dụ

Ví dụ : Tạo chương trình thực thi từ nhiều modul

Toto project

file main.c

file M1.c

#include <stdio.h>

int y = 10;

extern int x, y;

extern void toto();

int main(int argc, char *argv[]){

toto();

file M2.c

int x;

extern int y;

void toto(){

x = 10 * y;

}

printf("KQ: %d \n",x * y);

return 0;

}

Kết quả

KQ: 1000

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.1 Ví dụ

Quá trình biên dịch toto project

Thư viện

Header

[printf]

[y←10]

int y=10;

[y←10]

[x]

M1.c

M1.o

extern int x,y;

extern void toto();

int main(){

toto()

x

y

[printf]

-

Compiler

Link

(tcc -c)

(tlink)

toto

printf

[toto]

printf()

x

y

}

main.o

main.c

toto

printf

x

y

int x;

extern int y;

toto()

[x]

y

[toto]

M2.o

M2.c

toto.exe

Chương 3 Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

lVí dụ

lBộ nhớ và chương trình

lLiên kết địa chỉ

lCác cấu trúc chương trình

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.2 Bộ nhớ và chương trình

Phân cấp bộ nhớ

l Bộ nhớ là tài nguyên quan trọng của hệ thống

l Chương trình phải nằm trong bộ nhớ trong để thực hiện

l Bộ nhớ được đặc trưng bởi kích thước và tốc độ truy nhập

l Bộ nhớ được phân cấp theo tốc độ truy nhập

Tốc độ

Loại bộ nhớ

Kích thước

Thanh ghi (Registers) bytes

Tốc độ CPU(ηs) 10

Cache trên VXL

Cache mức 2

Bộ nhớ chính

Bộ nhớ lưu trữ (Disk)

Băng từ, đĩa quang

Kilo Bytes

nano seconds

100 nanoseconds e

Micro-seconds

Mili-Seconds 10

Seconds

KiloByte-MegaByte

MegaByte-GigaByte

GigaByte-Terabytes

Không giới hạn

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.2 Bộ nhớ và chương trình

Bộ nhớ chính

00000

00001

Memory

l Dùng lưu trữ dữ liệu và chương trình

l Là mảng các ô nhớ kiểu bytes, words

l Mỗi ô nhớ có một địa chỉ riêng

FFFFE

FFFFF

l Địa chỉ vật lý: địa chỉ x/hiện ở chân VXL

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.2 Bộ nhớ và chương trình

Chương trình

l Tồn tại trên thiết bị lưu trữ ngoài

l Là các file nhị phân thực thi được

l Vùng tham số file

l Lệnh máy (mã nhị phân),

l Vùng dữ liệu (biến toàn cục), . .

l Phải được đưa vào bộ nhớ trong và

được đặt trong một tiến trình để

thực hiện (tiến trình thực hiện

chương trình)

l Hàng đợi vào (input queue)

l Tập các tiến trình ở bộ nhớ

ngoài (thông thường: disk)

l Đợi để được đưa vào bộ nhớ

trong và thực hiên

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.2 Bộ nhớ và chương trình

Thực hiện chương trình

l Nạp chương trình vào bộ nhớ

l Đọc và phân tích (dịch) file thực thi (VD file *.com, file *.exe)

l Xin vùng nhớ để nạp chương trình từ file trên đĩa

l Thiết lập các tham số, các thanh ghi tới giá trị thích hợp

l Thực thi chương trình

l CPU lấy các lệnh trong bộ nhớ tại vị trí được xác định bởi bộ đếm

chương trình (Program counter)

l Cặp thanh ghi CS:IP với VXL họ Intel (Ví dụ : 80x86)

l CPU giải mã lệnh

l Có thể lấy thêm toán hạng từ bộ nhớ

l Thực hiện lệnh với toán hạng

l Nếu cần thiết, lưu kết quả vào bộ nhớ tại một địa chỉ xác định

l Thực hiện xong

l Giải phóng vùng không gian nhớ dành cho chương trình

l Vấn đề

l Chương trình có thể được nạp vào vị trí bất kỳ trong bộ nhớ

l Khi thực hiện chương trình sinh ra chuỗi địa chỉ bộ nhớ

l Truy nhập địa chỉ bộ nhớ như thế nào?

Chương 3 Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

lVí dụ

lBộ nhớ và chương trình

lLiên kết địa chỉ

lCác cấu trúc chương trình

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.3 Liên kết địa chỉ

Các bước xử lý chương trình ứng dụng

Chương trình

nguồn

Các modul đối

tượng khác

Thư viện hệ

thống được

nạp động

Liên

kết

Modul

đối tượng

Dịch

Chương trình

trong bộ nhớ

Modul

thực hiện

Nạp

Thư viện

hệ thống

Bộ nhớ trong

20 /

96

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.3 Liên kết địa chỉ

Các kiểu địa chỉ

l Địa chỉ biểu tượng (symbolic)

l Là tên của đối tượng trong chương trình nguồn

l Ví dụ: counter, x, y,...

l Địa chỉ tương đối

l Sinh ra từ địa chỉ biểu tượng trong giai đoạn dịch (compiler)

l Là vị trí tương đối của đối tượng kể từ đầu modul

l Byte thứ 10 kể từ đầu modul

l EB08 ⇒ JMP +08: Nhảy tới vị trí cách vị trí hiện tại 8 ô

l Địa chỉ tuyệt đối

l Sinh ra từ địa chỉ tương đối trong giai đoạn nạp chương trình thực thi vào bộ

nhớ để thực hiện

l Với PC: địa chỉ tương đối <Seg :Ofs>→ Seg * 16+Ofs

l Là địa chỉ của đối tượng trong bộ nhớ vật lý-địa chỉ vật lý

l Ví dụ: JMP 010A⇒ Nhảy tới ô nhớ có vị trí 010Ah tại cùng đoạn mã lệnh

(CS)

l Nếu CS=1555h, sẽ đi tới vị trí: 1555h*10h+010Ah =1560Ah

Chương 3: Quản lý bộ nhớ

1. Tổng quan

1.3 Liên kết địa chỉ

Xác định địa chỉ

Xác định địa chỉ câu lệnh và dữ liệu trong bộ nhớ có thể thực hiện tại các

giai đoạn khác nhau khi xử lý chương trình ứng dụng

l Giai đoạn dịch:

l Sử dụng khi biết chương trình sẽ nằm ở đâu trong bộ nhớ

l Khi dịch sẽ sinh ra mã (địa chỉ) tuyệt đối

l Phải dịch lại khi vị trí bắt đầu thay đổi

l Thời điểm nạp:

l Sử dụng khi không biết c/trình sẽ nằm ở đâu trong bộ nhớ

l Các đối tượng được dịch ra sẽ mang địa chỉ tương đối

l Xác định địa chỉ được hoãn lại tới khi khi nạp chương trình vào bộ nhớ

l Trong khi thực hiện:

l S/dụng khi các tiến trình có thể thay đổi vị trí trong khi t/hiện

l Xác định địa chỉ được hoãn lại tới khi thực thi chương trình

l Thường đòi hỏi trợ giúp từ phần cứng

l Được sử dụng trong nhiều hệ điều hành

Bài giảng Hệ điều hành - Chương 3: Quản lý bộ nhớ - Đỗ Quốc Huy