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MEMORIA SEGMENTADA, ASPECTOS GENERALES, VENTAJAS Y DESVENTAJAS, VALOR DE LA SEGMENTACIÓN PAGINADA, VISIÓN DEL USUARIO DE LA MEMORIA, COMPARTICION Y PROTECCIÓN, ETC....

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

MEMORIA SEG PROFESOR: OSCAR BAZAN CHOQU INTEGRANTES: GONZALES CHOMBA

2011

MEMORIA SEGMENTAD

Memoria segmentada Introducción La memoria es uno de los principales recursos de la computadora, la cual debe de administrarse con mucho cuidado. Aunque actualmente la mayoría de los sistemas de cómputo cuentan con una alta capacidad de memoria, de igual manera las aplicaciones actuales tienen también altos requerimientos de memoria, lo que sigue generando escasez de memoria en los sistemas multitarea y/o multiusuario. La parte del sistema operativo que administra la memoria se llama administrador de memoria y su labor consiste en llevar un registro de las partes de memoria que se estén utilizando y aquellas que no, con el fin de asignar espacio en memoria a los procesos cuando éstos la necesiten y liberándola cuando terminen, así como administrar el inter- cambio entre la memoria principal y el disco en los casos en los que la memoria principal no le pueda dar capacidad a todos los procesos que tienen necesidad de ella. Los sistemas de administración de memoria se pueden clasificar en dos tipos: los que desplazan los procesos de la memoria principal al disco y viceversa durante la ejecución y los que no. El propósito principal de una computadora es el de ejecutar programas, estos programas, junto con la información que accesan deben de estar en la memoria principal (al menos parcialmente) durante la ejecución. Para optimizar el uso del CPU y de la memoria, el sistema operativo debe de tener varios procesos a la vez en la memoria principal, para lo cual dispone de varias opciones de administración tanto del procesador como de la memoria. La selección de uno de ellos depende principalmente del diseño del hardware para el sistema. Por ello actualmente existen varios sistemas operativos, si no son todos, que permiten el manejo de memoria virtual y la memoria física de una forma tan eficiente que es preciso desmenuzar su forma de utilización. La gestión de la memoria física y virtual incluye varios procesos, entre los cuales se encuentran la paginación, la segmentación y la segmentación paginada. En nuestro caso particular desarrollaremos los aspectos relacionados con la memoria

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MEMORIA SEGMENTAD segmentada y parte de la paginación de memoria.

Aspectos Generales La Segmentación de memoria es un esquema de manejo de memoria mediante el cual la estructura del programa refleja su división lógica; llevándose a cabo una agrupación lógica de la información en bloques de tamaño variable denominados segmentos. Cada uno de ellos tienen información lógica del programa: subrutina, arreglo, etc. Luego, cada espacio de direcciones de programa consiste de una colección de segmentos, que general mente reflejan la división lógica del programa. Objetivos alcanzados con la segmentación de memoria Modularidad de programas: cada rutina del programa puede ser un bloque sujeto a cambios y recopilaciones, sin afectar por ello al resto del programa. Estructuras de datos de largo variable: ejemplo Stack, donde cada estructura tiene su propio tamaño y este puede variar. Protección: se puede proteger los módulos del segmento contra accesos no autorizados. Comparición: dos o más procesos pueden ser un mismo segmento, bajo reglas de protección; aunque no sean propietarios de los mismos Enlace dinámico entre segmentos: puede evitarse realizar todo el proceso de enlace antes de comenzar a ejecutar un programa. Los enlaces se establecerán solo cuando sea necesario.

Segmentación Un aspecto importante de la gestión de la memoria que la paginación convierte en inevitable es la separación de la visión que el usuario tiene de la memoria y la memoria física real. La visión del usuario no coincide con la memoria física real. La visión del usuario se transforma en la memoria física. La traducción de direcciones permite esta diferencia entre la memoria lógica y la física.

Ventajas y desventajas de la segmentación Ventajas de la segmentación

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MEMORIA SEGMENTAD El programador puede conocer las unidades lógicas de su programa, dándoles un tratamiento particular. Es posible compilar módulos separados como segmentos el enlace entre los segmentos puede suponer hasta tanto se haga una referencia entre segmentos. Debido a que es posible separar los módulos se hace más fácil la modificación de los mismos. Cambios dentro de un modulo no afecta al resto de los módulos. Es fácil el compartir segmentos. Es posible que los segmentos crezcan dinámicamente según las necesidades del programa en ejecución. Existe la posibilidad de definir segmentos que aun no existan. Así, no se asignara memoria, sino a partir del momento que sea necesario hacer usos del segmento. Un ejemplo de esto, serian los Arrays cuya dimensión no se conoce hasta tanto no se comienza a ejecutar el programa. En algunos casos, incluso podría retardar la asignación de memoria hasta el momento en el cual se referencia el Array u otra estructura de dato por primera vez.

Desventajas de la segmentación Hay un incremento en los costos de hardware y de software para llevar a cabo la implantación, así como un mayor consumo de recursos: memoria, tiempo de CPU, etc. Debido a que los segmentos tienen un tamaño variable se pueden presentar problemas de fragmentación externas, lo que puede ameritar un plan de reubicación de segmentos en memoria principal. Se complica el manejo de memoria virtual, ya que los discos almacenan la información en bloques de tamaños fijos, mientras los segmentos son de tamaño variable. Esto hace necesaria la existencia de mecanismos más costosos que los existentes para paginación. Al permitir que los segmentos varíen de tamaño, puede ser necesarios planes de reubicación a nivel de los discos, si los segmentos son devueltos a dicho dispositivo; lo que conlleva a nuevos costos.

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MEMORIA SEGMENTAD No se puede garantizar, que al salir un segmento de la memoria, este pueda ser traído fácilmente de nuevo, ya que será necesario encontrar nuevamente un área de memoria libre ajustada a su tamaño. La comparticion de segmentos permite ahorrar memoria, pero requiere de mecanismos adicionales de hardware y software. Estas desventajas tratan de ser minimizadas, bajo la técnica conocida como Segmentación paginada.

Valor de la Segmentación paginada Paginación y segmentación son técnicas diferentes, cada una de las cuales busca brindar las ventajas enunciadas anteriormente. Para la segmentación se necesita que estén cargadas en memoria, áreas de tamaños variables. Si se requiere cargar un segmento en memoria; que antes estuvo en ella y fue removido a memoria secundaria; se necesita encontrar una región de la memoria lo sufi- cientemente grande para contenerlo, lo cual no es siempre factible; en cambio “recargar” una pagina implica solo encontrar un merco de pagina disponible. A nivel de paginación, si quiere referenciar en forma cíclicas n paginas, estas deberán ser cargadas una a una generándose varias interrupciones por fallas de paginas; bajo segmentación, esta pagina podría conformar un solo segmento, ocurriendo una sola inte- rrupción, por falla de segmento. No obstante, si bajo segmentación, se desea acceder un área muy pequeña dentro de un segmento muy grande, este deberá cargarse completa- mente en memoria, desperdiciándose memoria; bajo paginación solo se cargara la página que contiene los ítems referenciados. Puede hacerse una combinación de segmentación y paginación para obtener las ventajas de ambas. En lugar de tratar un segmento como una unidad contigua, este puede dividirse en páginas. Cada segmento puede ser descrito por su propia tabla de páginas. Los segmentos son usualmente múltiplos de páginas en tamaño, y no es necesario que todas las páginas se encuentren en memoria principal a la vez; además las páginas de un mismo segmento, aunque se encuentren contiguas en memoria virtual; no necesi- tan estarlo en memoria real.

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MEMORIA SEGMENTAD Las direcciones tienen tres componentes: (s, p, d), donde la primera indica el numero del segmento, la segunda el numero de la pagina dentro del segmento y la tercera el des- plazamiento dentro de la pagina. Se deberán usar varias tablas: SMT (tabla de mapas de segmentos): una para cada proceso. En cada entrada de la SMT se almacena la información descrita bajo segmentación pura, pero en el campo de dirección se indicara la dirección de la PMT (tabla de mapas de páginas) que describe a las diferentes páginas de cada segmento. PMT (tabla de mapas de páginas): una por segmento; cada entrada de la PMT describe una página de un segmento; en la forma que se presento la pagina pura. TBM (tabla de bloques de memoria): para controlar asignación de páginas por parte del sistema operativo. JT (tabla de Jobs): que contiene las direcciones de comienzo de cada una de las SMT de los procesos que se ejecutan en memoria. En el caso, de que un segmento sea de tamaño inferior o igual al de una pagina, no se necesita tener la correspondiente PMT, actuándose en igual forma que bajo segmentación pura; puede arreglarse un bit adicional (S) a cada entrada de la SMT, que indicara si el segmento esta paginado o no.

Ventajas y desventajas de la Segmentación Paginada Ventajas de la segmentación paginada El esquema de segmentación paginada tiene todas las ventajas de la segmentación y la paginación: Debido a que los espacios de memorias son segmentados, se garantiza la facilidad de implantar la comparticion y enlace. Como los espacios de memoria son paginados, se simplifican las estrategias de almacenamiento. Se elimina el problema de la fragmentación externa y la necesidad de compactación.

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Desventajas de la segmentación paginada Las tres componentes de la dirección y el proceso de formación de direcciones hace que se incremente el costo de su implantación. El costo es mayor que en el caso de de segmentación pura o paginación pura. Se hace necesario mantener un número mayor de tablas en memoria, lo que implica un mayor costo de almacenamiento. Sigue existiendo el problema de fragmentación interna de todas- o casi- todas las páginas finales de cada uno de los segmentos. Bajo paginación pura se desperdician solo la última página asignada, mientras que bajo segmentación – paginada el desperdicio puede ocurrir en todos los segmentos asignados.

Visión del usuario de la memoria

¿Cuál es la visión de la memoria que tiene el usuario ?. Concibe el usuario la memoria como una tabla lineal de palabras, algunas de las cuales contienen instrucciones mientras que otras contienen datos, o bien se prefiere alguna otra visión de la memoria ? Hay un acuerdo general en que el usuario o programador de un sistema no piensa en la memoria como una tabla lineal de palabras. Más bien prefieren concebirla como una colección de segmentos de longitud variable, no necesariamente ordenados.

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Consideremos cómo ve usted un programa cuando lo está escribiendo. Piensa en él como un programa principal, con un conjunto de subrutinas, procedimientos, funciones o módulos. También puede haber diversas estructuras de datos: tablas, matrices, pilas, variables, etc. Cada uno de estos módulos o elementos de datos se referencian por un nombre. Usted habla de la "tabla de símbolos", A "la función Sqrt", "el programa principal", sin tener en cuenta qué direcciones de memoria ocupan estos elementos. Usted no se preocupa de si la tabla de símbolos se almacena antes o después de la función Sqrt. Cada uno de estos elementos es de longitud variable; la longitud está definida intrínsecamente por el propósito del segmento en el programa. Los elementos dentro de un segmento están identificados por su desplazamiento desde el principio del segmento: la primera instrucción del programa, la decimoséptima entrada de la tabla de símbolos la quinta función Sqrt, etc. La segmentación es un esquema de administración de la memoria que soporta la visión que el usuario tiene de la misma. Un espacio de direcciones lógicas es una colección de segmentos. Cada segmento tiene un nombre y una longitud. Las direcciones especifican tanto el nombre del segmento como el desplazamiento dentro del segmento. Por lo tanto, el usuario especifica cada dirección mediante dos cantidades: un nombre de segmento y un desplazamiento. (Compárese este esquema con la paginación, donde el usuario especificaba solamente una única dirección, que el hardware particionaba en número de página y desplazamiento, siendo todo ello invisible al programador). Por simplicidad de implementación, los segmentos están numerados y se referencian por un número de segmento en lugar de por un nombre. Normalmente el programa de usuario se ensambla (o compila), y el ensamblador (o el compilador) construye automáticamente segmentos que reflejan el programa de entrada. Un compilador de Pascal podría crear segmentos separados para (1) las variables globales, (2) la pila de llamada de procedimientos, para almacenar parámetros y devolver direcciones, (3) el código de cada procedimiento o función, y (4) las variables locales de cada procedimiento y función. El cargador tomaría todos esos segmentos y les asignaría números de segmento.

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Hardware Aunque el usuario ahora puede referenciar los objetos del programa por medio de una dirección de dos dimensiones, la memoria física real es todavía, por supuesto, una secuencia unidimensional de palabras. La transformación se efectúa por medio de una tabla de segmentos. El empleo de una tabla de segmentos se muestra en la figura 6.15. Una dirección lógica consta de dos partes: un número de segmento s y un desplazamiento dentro de ese segmento, d. El número de segmento se utiliza como un índice en la tabla de segmentos. Cada entrada de la tabla de segmentos tiene una base de segmento y un límite. El desplazamiento d de la dirección lógica tiene que estar comprendido entre 0 y el límite de segmento. En caso contrario se produce una excepción al sistema operativo (tentativa de direccionamiento lógico más allá del fin de segmento). Si este desplazamiento es legal, se añade a la base para producir la dirección de la tabla deseada en la memoria física. La tabla de segmentos es así esencialmente una matriz de pares registros base/límite.

Implementación de tablas de segmentos Al igual que la tabla de páginas, la tabla de segmentos puede situarse bien en registros rápidos o bien en memoria. Una tabla de segmentos mantenida en registros

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MEMORIA SEGMENTAD puede ser referenciada muy rápidamente: la adición a la base y la comparación con el límite pueden realizarse simultáneamente para ahorrar tiempo. El PDP-11/45 utiliza este método; tiene 8 registros de segmento. Una dirección de 16 bits se forma a partir de un número de segmento de 3 bits y de un desplazamiento de 13 bits. Esta disposición permite hasta 8 segmentos; cada segmento puede ser de hasta 8 K-bytes. Cada entrada en la tabla de segmentos tiene una dirección base, una longitud y un conjunto de bits de control de acceso que especifican acceso denegado, acceso de sólo lectura, o acceso de lectura/escritura al segmento. El Burroughs B5500 permitía 32 segmentos de hasta 1024 palabras cada uno. Estas especificaciones definían un número de segmento de 5 bits y un desplazamiento de 10 bits. Sin embargo, la experiencia con este sistema mostró que los segmentos eran pocos y que el límite del tamaño del segmento era demasiado pequeño (las tablas mayores de 1K tenían que fragmentarse entre varios segmentos). Por ello, el GE 645 utilizado por Multics permite hasta 256 K-segmentos de hasta 64 K-palabras. Con tantos segmentos no es factible mantener la tabla de segmentos en registros, de modo que tiene que mantenerse en memoria. Un registro de base de tabla de segmentos (STBR) apunta a la tabla de segmentos. Puesto que el número de segmentos utilizado por un programa puede variar ampliamente, también se utiliza un registro de longitud de tabla de segmentos (STLR). En el caso de una dirección lógica (s, d) verificamos primero que el número de segmento s es legal (s < STLR), Entonces, añadimos el número de segmento al STBR resultando la dirección en memoria de la entrada de la tabla de segmentos (STBR + s). Esta entrada se lee en la memoria y actuamos igual que antes: se verifica el desplazamiento frente a la longitud de segmento, y se calcula la dirección física de la palabra deseada como la suma de la base del segmento y el desplazamiento. Igual que con la paginación, esta transformación requiere dos referencias a memoria por dirección lógica, el ordenador disminuirá su velocidad en un factor de 2, a menos que se haga algo para evitarlo. La solución normal consiste en utilizar un conjunto de registros asociativos para mantener las entradas utilizadas más recientemente en la tabla de segmentos. Un conjunto de registros asociativos relativamente pequeño (8 \ 16) puede reducir generalmente el retardo a los accesos a memoria hasta no más allá de un 10% o 15% más lentos que los accesos a memoria "mapeada".

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Compartición y protección Una ventaja importante de la segmentación es la asociación de la protección con los segmentos. Puesto que los segmentos representan una porción del programa definida semánticamente, es probable que todas las entradas en el segmento se utilicen de la misma manera. De ahí que tengamos algunos segmentos que son instrucciones, mientras que otros son datos. En una arquitectura moderna las instrucciones son no automodificables, de modo que los segmentos de instrucciones pueden definirse como de sólo lectura o sólo ejecución. El hardware verificará los bits de protección asociados a cada entrada en la tabla de segmentos para impedir accesos ilegales a memoria, tales como tentativas de escribir en un segmento de sólo lectura o de utilizar un segmento de sólo ejecución como datos. Situando una tabla en un segmento propio, el hardware verificará automáticamente que toda indexación en la tabla es legal, y no sobrepasa los límites de la misma. Así, muchos errores frecuentes en programas serán detectados por hardware antes de que puedan ocasionar un daño serio. Otra ventaja de la segmentación está relacionada con la compartición de código y datos. Los segmentos se comparten cuando las entradas en las tablas de segmentos de dos procesos diferentes apuntan a las mismas posiciones físicas.

La compartición se produce a nivel de segmento. Por lo tanto, cualquier información puede compartirse definiéndole un segmento. Pueden compartirse varios segmentos, de modo que es posible compartir un programa compuesto de más de un segmento. Por ejemplo, consideremos el uso de un editor de textos en un sistema de tiempo compartido. Un editor completo podría resultar bastante largo, y formado por muchos segmentos. Estos segmentos pueden compartirse entre todos los usuarios, limitando la memoria física necesaria para soportar las tareas de edición. En lugar de necesitar n copias del editor, precisamos solamente una. Aún necesitamos segmentos únicos e independientes para almacenar las variables locales de cada usuario. Estos segmentos, por supuesto, no deben ser compartidos. También es posible compartir solo partes de programas. Por ejemplo, subrutinas de uso frecuente pueden compartirse entre muchos usuarios definiéndolas como segmentos de sólo lectura compartibles. Por ejemplo, dos programas Fortran pueden utilizar la misma subrutina Sqrt, pero sólo será precisa una copia física de la rutina Sqrt.

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MEMORIA SEGMENTAD Aunque esta compartición parece ser bastante sencilla, tiene algunas sutilezas. Típicamente, los segmentos de código tienen referencias a sí mismos. Por ejemplo, un salto condicional tiene normalmente una dirección de transferencia. La dirección de transferencia es un nombre de segmento y un desplazamiento. El número de segmento de la dirección de transferencia será el del segmento de código. Si tratamos de compartir este segmento, todos los procesos que lo compartan tienen que definir el segm...