Virtueller Adressraum und Paging in 32-Bit Systemen

Betriebssysteme (BS)

• Das Thema ist Betriebssysteme (BS)
• Es geht um die virtuelle Speicherverwaltung (VIII. Virtuelle Speicherverwaltung)
• Die Dozenten sind Prof. Dr.-Ing. Rainer Keller und Prof. Dr. Dennis Grewe.
• Der Veranstaltungsort ist Hochschule Esslingen.

Lehrveranstaltung Wintersemester 2024/2025

• Die Folien betreffen die Lehrveranstaltung Betriebssysteme im Wintersemester 2024/2025.
• Es gibt eine Möglichkeit, Fragen zu stellen und seine Meinung zu äußern.
• Es besteht die Möglichkeit, an einem Quiz zur Wiederholung teilzunehmen (Scheduler)
• Die Vorlesung wird von Profs. Grewe & Keller gehalten

Agenda

• Die Agenda listet die Themen auf, die in der Vorlesung besprochen werden werden.
• Die Themen betreffen virtuellen Speicher, dessen Verwaltung, die Abbildung auf physikalische Adressen und das Konzept des Paging.

Ziele

• Die Ziele der Vorlesung beinhalten das Verständnis der Linux-Speicherverwaltung und die Definitionen wichtiger Begriffe wie virtueller Speicher, Paging, etc..
• Die Umsetzung von virtuellen auf physikalische Adressen soll verstanden werden.
• Es wird empfohlen, sich in den Grafiken Notizen zu machen.

Definition: THREAD

• Ein Thread ist eine kleine Ausführungseinheit, die vom Linux-Kernel geplant wird.
• Threads innerhalb eines Prozesses teilen globale Variablen und offene Dateideskriptoren (FDs).
• Threads teilen den gleichen Adressraum, Heap und dynamischen Speicher.
• Jeder Thread verfügt über einen eigenen Registersatz, Stack und Thread-lokale Variablen (z. B. errno).

Linux Prozesskontext: Threads & Tasks

• Es gibt drei Implementierungsmethoden für Threads im Prozesskontext. (1:n, 1:1, m:n)
• Frühere Java-VM's, Linux, Solaris <9, Windows

Frage zu Prozesse & Threads

• Die Folie enthält Fragen zu den Ressourcen, die Threads und Prozesse in einem Linux-Prozess teilen, sowie die Ressourcen, die jeder Thread für sich hat.
• Es wird gefragt, in welcher Datenstruktur diese Informationen in Linux gespeichert werden.

Aufbau eines Unix Prozesses

• Der Betriebs-systemkontext des Prozesses umfasst Ressourcen wie offene Dateien, TCP-Sockets und Unix-Locks.
• Der Hardware- Kontext des Prozesses umfasst den verfügbaren Speicher, den Stack und das Adressraum, den Segmentzuweisungen (Daten, Text / Code)

Wiederholung Linux

• Linus Torvalds hat 1991 einen PC mit Intel i386 Prozessor gekauft.
• Intel 80386 ist ein neuartiger 32-Bit Prozessor, abwärtskompatibel zu 80296 (16bit) und 8086/8088.
• Die Architektur des Prozessors ist "kränklich"; wenige Register, feste Zuordnungen von Instruktionen zu bestimmten Registern, eingeschränkte Floating-Point Unit.

Speicherzugriffe: Beobachtung zu Caches

• Jeder Speicherzugriff muss schnell sein
• Caches arbeiten optimal, wenn der Zugriff auf Daten räumliche und zeitliche Lokalität aufweist.

Speicherschutzkonzept

• Speicherschutz ist ein Mechanismus, der den Zugriff auf den Arbeitsspeicher kontrolliert.
• Ziel ist die Integrität und Stabilität des Systems zu gewährleisten, indem verhindert wird, dass Prozesse unberechtigt auf den Speicher anderer Prozesse oder das Betriebssystem zugreifen.
• Prozesse müssen voneinander isoliert sein.
• Prozesse sollen nur auf Speicherbereiche zugreifen dürfen, die ihnen explizit zugewiesen wurden.

Speicherschutzkonzept: Intel i386 Prozessor

• Der Intel i386 war in der Entwicklung moderner und sicherer Systeme federführend, auch bei Speicherschutzkonzepten.
• Einführung des 32-Bit Betriebs - Unterstützung für virtuellen Speicher und Paging.
• Erweiterung der Segmentierung mit Schutzmechanismen - Ring-Schutzmodell (Privilegienstufen von Ring 0 bis Ring 3).

Historie Virtuelle Speicherverwaltung

• Die Geschichte der virtuellen Speicherverwaltung bei Intel 80386 bis heute wird behandelt.

Pages: Speicherscheiben aus Sicht des i386

• Der physikalische Speicher wird in 4KB große Pages unterteilt.
• Jede Page hat einen Diskriptor, den der Prozessor für den Zugriffskontrolle verwendet.
• Data-Segment-Diskriptor des i386 (32-Bit Prozessor): Aufbau (Base, Limit, DPL, Type, P)

Pages: Speicherscheiben aus Sicht des x86-64

• Seit dem AMD64 Prozessor (x86-64) gilt die Adresslänge als 64 Bit.
• Von den 64 Bit werden 48 Bit für die Adressleitungen verwendet.
• Der Seiten-Deskriptor wird nicht aufgebläht, sondern nur die notwendigen Bits verwendet.

Speicherschutz: Abbildung virtuell -> physikalische Adresse

• Die Umwandlung von 64-Bit virtuellen Adressen in 64-Bit physikalische Adressen erfolgt durch den Translation Lookaside Buffer (TLB) der Memory Management Unit (MMU).
• TLB agiert als Cache für die CPU für Übersetzungen.
• Seitentabellen (Page Tables), die vom Betriebssystem verwaltet werden, spielen eine Rolle bei der Umsetzung.

Virtueller Speicher: Adressumwandlung

• Umwandlung der 64-Bit virtuellen Adressen in 64-Bit physikalische Adressen durch den Translation Lookaside Buffer (TLB).
• TLB als Hardware-Cache in der CPU für effiziente Übersetzungen.
• Seitentabellen (Page Tables) vom Betriebssystem verwaltet.

Virtualisierung in Linux: Speicherverwaltung

• Linux muss viele Pages verwalten.
• Das Betriebssystem verwaltet den RAM effizient unter Beachtung von Speicher, Zeit und Anforderungen von Anwendungen.

Virtuelle Speicherverwaltung: Page Global Directory

• Auf einem 32-Bit x86-System enthält das Page Global Directory (PGD) vier Einträge, die jeweils 1GB virtuellem Adressraum entsprechen.
• Das PGD wird anhand der obersten beiden Bits der virtuellen Adresse indiziert.
• Jeder PDG-Eintrag verweist auf ein Page Middle Directory (PMD).

Virtuelle Speicherverwaltung: Page Middle Directory

• Das Page Middle Directory (PMD) enthält 1024 Einträge, die durch die oberen 10 Bit einer virtuellen Adresse indiziert werden.
• PMD-Einträge verweisen auf die Page Table Entries (PTE).

Virtuelle Speicherverwaltung: Page Table Entry

• Ein Eintrag in der Page Table Entry (PTE) Tabelle enthält die physische Adresse der 4KB Page, sofern diese im RAM vorhanden ist.
• Die letzten 12 Bits der virtuellen Adresse zeigen auf die physische Adresse der Page.

Page Table Walk (32-Bit bei 4KB Page-Größe)

• Die 32-Bit Adresse im virtuellem Speicherraum wird in verschiedene Teile zerlegt (4Bit, 10Bit, 12Bit Offset).
• Durch Suchen in PGD, PMD und PTE findet man die physische Adresse.

Page Table Walk (64-Bit bei 4KB Page Größe)

• Die 64-Bit Adresse im virtuellen Speicherraum wird in verschiedene Teile zerlegt und in der Tabelle gesucht.

Page Table Walk (64-Bit bei 2MB/1GB Huge Pages)

• Die 64-Bit Adresse wird zerlegt und mit den neuen Offsets in den Tabellen gesucht.

Speicherseiten: Pages im Linux-Kernel

• Zur Verwaltung jeder Seite benötigt der Linux-Kernel eine Datenstruktur.
• Prozesse verhalten Listen mit ihren zugeordneten Seiten.

Virtualisierung in Linux: Physikalische Speicherverwaltung -> Buddy Algorithmus

• Der Buddy-Algorithmus ist ein Algorithmus zur Speicherverwaltung, der in vielen Betriebssystemen, auch in Linux, verwendet wird.
• Er reduziert Speicherfragmentierung und bietet effiziente Speicherzuteilung.

Buddy-Speicherverwaltung

• Die Buddy-Speicherverwaltung ist ein Algorithmus zur effizienten Verwaltung von Speicherblöcken.
• Blöcke werden in größeren Blöcken organisiert und bei Bedarf in kleinere Unterteile geteilt.
• Freigegebene Blöcke werden mit ihren Buddy-Blöcken zusammengeführt.

Auslagerung von Pages

• Das Auslagern von Pages auf die Festplatte (Paging/Swapping) ist für die effiziente Nutzung des begrenzten RAM-Speichers wichtig.
• Das Ziel ist es, wenig genutzte Daten temporär auf die Festplatte zu verschieben, um mehr RAM für aktive Prozesse freizugeben.
• Der Nachteil ist die langsamere Zugriffszeit auf die ausgelagerten Daten

Flags für Pages: Copy-on-Write (COW)

• Bei der CoW-Technik wird eine Seite erst dann in den physikalischen Speicher kopiert, wenn sie geschrieben wird.
• Dadurch wird Speicherverbrauch reduziert, da nicht benötigte Pages nicht kopiert werden müssen.

BS Aufgaben: Übungen

• Es werden Aufgaben und Übungen zu Themen wie Prozessor-Hardware, Speicherverbrauch, etc. gestellt.

Tools zum Überwachen: Top/Htop, Vmsstat, Pmap

• Tools (z.B. top, htop, vmstat, pmap) zur Überwachung des Systemsperverbrauchs während dem Ausführen von Programmen.

Dieses Quiz behandelt die Konzepte des virtuellen Adressraums und des Paging in 32-Bit Systemen. Fragen werden sich auf die Funktionsweise von Seiten, den Speicheraufbau sowie die Zuordnung von virtuellen zu physikalischen Adressen konzentrieren. Teste dein Wissen über Aspekte wie Fragmentierung und Segmente im physikalischen Speicher.