Quản lý bộ nhớ | Bài tập lớn kết thúc học phần Hệ điều hành | Trường Đại học Phenikaa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA
KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN ⸎⸎⸎⸎⸎ BÀI TẬP LỚN ĐỀ
TÀI: “QUẢN LÝ BỘ NHỚ”
SINH VIÊN THỰC HIỆN : TÔ VĂN ANH QUÂN BÙI MINH QUÂN NGUYỄN VĂN ĐỨC NGÔ QUỐC TRUNG LỚP
: Hệ điều hành-1-1-22(N04) NĂM HỌC : 2022 – 2023 MỞ ĐẦU
Bộ nhớ chính là thiết bị lưu trữ duy nhất thông qua đó CPU có thể trao đổi
thông tin với môi trường ngoài, do vậy nhu cầu tổ chức, quản lý bộ nhớ là một
trong những nhiệm vụ trọng tâm hàng đầu của hệ điều hành. Bộ nhớ chính được tổ
chức như một mảng một chiều các từ nhớ (word), mỗi từ nhớ có một địa chỉ. VIệc
trao đổi thông tin với môi trường ngoài được thực hiện thồn qua các thao tác đọc
hoặc ghi dữ liệu vào một địa chỉ cụ thể nào đó trong bộ nhớ.
Hầu hết các hệ điều hành hiện đại đều cho phép chế độ đa nhiệm nhằm nâng cao
hiệu suất của CPU. Tuy nhiên kỹ thuật này lại làm nảy sinh nhu cầu chia sẻ bộ nhớ
giữa các tiến trình khác nhau. Và bài viết này sẽ cho bạn thêm kiến thức trìu tượng
về không gian bộ nhớ, bộ nhớ api và cách các tiến trình làm việc với bộ nhớ thông
qua cơ chế dịch địa chỉ. NỘI DUNG 1.Address Spaces
-Không gian địa chỉ (memory address space) là gì? Đó là dải các số được dùngđể
đánh địa chỉ cho các lệnh, hoặc dữ liệu của chương trình. Sau khi biên dịch, các
lệnh và hầu hết các dữ liệu đều đã có địa chỉ xác định.
Khích thước tối đa của không gian địa chỉ không phụ thuộc vào việc bao nhiêu bộ
nhớ RAM vật lý thực sự có thể sử dụng được, do đó nó được biết đến là không
gian địa chỉ ảo (virtual address space). Một lý do khác cho thuật ngữ này, mỗi
process có suy nghĩ rằng chúng chỉ sống trong vùng địa chỉ này và không hề tồn tại
các process khác từ quan điểm của chúng. ứng dụng không cần quan tâm đến các
ứng dụng khác và có thể hoạt động như thể chúng là quá trình duy nhất, điều này
không đúng với thực tế nên nó được gọi là không gian địa chỉ ảo.
Linux chia virtual address space thành 2 phần: kernel space và userspace.
Mỗi user process trong hệ thống sở hữu bộ nhớ có kích thước từ 0 -> TASK_SIZE.
Phần địa chỉ từ TASK_SIZE -> 264/232 được dành cho kernel và không thể bị truy
cập từ user process. TASK_SIZE là một hằng số kiến trúc mà nó dùng để chia tỷ lệ
không gian bộ nhớ. Ví dụ trong IA-32(32 bit), không gian địa chỉ được chia ra
3GiB cho mỗi process và 1GiB còn lại dành cho kernel (232 = 4GiB).
Note: 210 = 1KiB, 220 = 1Mib, 230 = 1Gib.
Cách chia này không phụ thuộc vào việc có bao nhiêu bộ nhớ RAM có thể sử
dụng. Vì có sự ảo hóa nên mỗi user process nghĩ rằng nó có 3GiB bộ nhớ. Các
userspace của các process thực sự tách biệt với nhau nhưng kernel space ở vùng
trên cùng của không gian địa chỉ ảo thì luôn giống nhau.
-hiện nay, đa số các hệ điều hành sử dụng cơ chế virtual memory để quản lý bộ
nhớ.Nhưng vẫn còn một số hệ điều hành không dùng virtual memory, ví dụ uCLinux.
2.Địa chỉ ảo(virtual address space)
Khống như hầu hết các kernel hiện đại, Linux sử dụng 1 kỹ thuật được gọi là quản
lý bộ nhớ ảo (virtual memory management) nhằm mục đích sử dụng hiệu quả cả
CPU và RAM (bộ nhớ vật lý hay, cũng có thể được gọi là bộ nhớ thật). Kỹ thuật
này khai thác 1 đặc điểm chung về truy cập bộ nhớ của hầu hết các chương trình là
locality of reference (dịch nôm na là tham chiếu vùng), được biểu hiện qua 2 đặc tính sau: •
Spatial locality: chương trình có xu hướng tham chiếu đến địa chỉ bộ nhớ
gần với phân vùng bộ nhớ mà nó đang truy cập. Vì chương trình C xử lý các chỉ
lệnh một cách tuần tự, hoặc chương trình xử lý các struct (vùng nhớ của các thành
phần của struct được sắp xếp liền kề nhau) •
Temporal locality: chương trình có xu hướng truy cập cùng 1 vùng nhớ
trong các thời điểm rất gần nhau. Ví dụ trường hợp xử lý vòng lặp, các vùng nhớ
có thể được truy cập nhiều lần các thời điểm gần nhau mỗi khi vòng lặp quay lại.
Nhìn vào đăc tính locality of reference này, chúng ta có thể rút ra là 1 chương trình
có thể chạy được khi chỉ cần 1 phần không gian địa chỉ của nó trên RAM, thay vì
tải toàn bộ không gian bộ nhớ của tiến trình.
Một bộ nhớ ảo chia không gian bộ nhớ của 1 tiến trình ra làm nhiều đoạn nhỏ có
kích thước cố định được gọi là các trang (page). Tương tự, RAM cũng được chia
làm nhiều đoạn nhỏ cùng kích thước được gọi là page frame. Trong 1 thời điểm,
chỉ 1 vài trang của tiến trình cần có mặt trong các frame của RAM để chạy. Các
trang chưa được sử dụng của chương trình sẽ được để trong phân vùng swap (là
phân vùng dự trữ của ổ cứng hỗ trợ lưu trũ bổ sung cho RAM) và sẽ được tải vào RAM khi cần thiết. Page table
Để ánh xạ giữa các trang của không gian bộ nhớ ảo đến các frame của bộ nhớ vật
lý, kernel tạo ra 1 bảng trang (page table) cho mỗi tiến trình. Mỗi entry của page
table ứng với 1 trang của bộ nhớ ảo cho phép chỉ ra vị trí của trang đó trong RAM
hoặc chỉ ra nó đang nằm ở phân vùng swap của ổ cứng.
Để hình dung rõ hơn về page table, chúng ta xem hình dưới đây:
Hình 1: Page Table của một tiến trình
Trong thực tế, không cần phải xây dựng bảng ánh xạ cho tất cả không gian địa chỉ
bộ nhớ ảo của tiến trình. Trái lại, thường chỉ có 1 phần số lượng các trang trong số
đó được sử dụng và cần phải có bảng ánh xạ cho các trang đó. Vì vậy, về mặt lý
thuyết không cần phải xây dựng entry cho toàn bộ không gian bộ nhớ ảo của tiến trình.
3.Multiprogramming and Time Sharing.
3.1Hệ thống đa chương trinh( multiprogram) là gì?
Đa chương trình là sự chuyển đổi nhanh chóng của CPU giữa một số chương trình.
Một chương trình thường được tạo thành từ một số nhiệm vụ. Một tác vụ thường
kết thúc với một số yêu cầu di chuyển dữ liệu sẽ yêu cầu một số hoạt động I / O
được thực hiện. Đa nhiệm thường được thực hiện để giữ cho CPU bận rộn, trong
khi chương trình hiện đang chạy đang thực hiện các hoạt động I / O. So với các
lệnh thực thi khác, các thao tác I / O cực kỳ chậm. Ngay cả khi một chương trình
chứa một số lượng rất nhỏ các thao tác I / O, thì phần lớn thời gian dành cho
chương trình được dành cho các hoạt động I / O đó. Do đó, việc sử dụng thời gian
nhàn rỗi này và cho phép một chương trình khác sử dụng CPU tại thời điểm đó sẽ
làm tăng hiệu suất sử dụng CPU. Đa chương trình ban đầu được phát triển vào cuối
những năm 1950 như một tính năng của hệ điều hành và lần đầu tiên được sử dụng
trong máy tính máy tính lớn. Với sự ra đời của bộ nhớ ảo và công nghệ máy ảo,
việc sử dụng đa chương trình đã được tăng cường. 3.2
Hệ thống chia sẻ thời gian là gì?
Chia sẻ thời gian, được giới thiệu vào năm 1960, là sự chia sẻ tài nguyên máy tính
giữa một số người dùng cùng một lúc. Trong hệ thống chia sẻ thời gian, một số
thiết bị đầu cuối được gắn vào một máy chủ chuyên dụng duy nhất có CPU riêng
của nó. Các hành động / lệnh được thực thi bởi hệ điều hành của hệ thống chia sẻ
thời gian có khoảng thời gian rất ngắn. Do đó, CPU được chỉ định cho người dùng
tại các thiết bị đầu cuối trong một khoảng thời gian ngắn, do đó người dùng trong
thiết bị đầu cuối có cảm giác rằng cô ấy có một CPU dành riêng cho mình phía sau
thiết bị đầu cuối của mình. Khoảng thời gian ngắn mà một lệnh được thực hiện trên
hệ thống chia sẻ thời gian được gọi là lát thời gian hoặc lượng tử thời gian. Với sự
phát triển của internet, các hệ thống chia sẻ thời gian đã trở nên phổ biến hơn vì
các trang trại máy chủ đắt tiền có thể chứa một lượng lớn khách hàng chia sẻ cùng
một tài nguyên. Vì các trang web hoạt động chủ yếu theo từng đợt hoạt động sau
đó là khoảng thời gian không hoạt động, thời gian không hoạt động của một khách
hàng có thể được sử dụng hiệu quả bởi khách hàng kia mà không ai trong số họ
nhận thấy sự chậm trễ.
3.3Đa chương trình so với Hệ thống chia sẻ thời gian
Đa chương trình là phân bổ nhiều hơn một chương trình đồng thời trên một hệ
thống máy tính và các tài nguyên của nó. Đa chương trình cho phép sử dụng CPU
một cách hiệu quả bằng cách cho phép nhiều người dùng khác nhau sử dụng CPU
và các thiết bị I / O một cách hiệu quả. Đa chương trình đảm bảo rằng CPU luôn có
thứ gì đó để thực thi, do đó làm tăng hiệu suất sử dụng CPU. Mặt khác, Chia sẻ
thời gian là việc chia sẻ tài nguyên máy tính giữa một số người dùng cùng một lúc.
Vì điều này sẽ cho phép một số lượng lớn người dùng làm việc trong một hệ thống
máy tính duy nhất cùng một lúc, nó sẽ giảm chi phí cung cấp khả năng tính toán III.Interlude: API memory 1. Các loại bộ nhớ
Khi chạy chương trình C, có hai loại bộ nhớ được cấp phát. Đầu tiên được gọi là
bộ nhớ ngăn xếp, và các phân bổ và phân bổ của nó được quản lý ngầm bởi trình
biên dịch cho bạn, người lập trình; vì lý do này đôi khi nó được gọi là bộ nhớ tự động.
Khai báo bộ nhớ trên ngăn xếp trong C rất dễ dàng. Ví dụ: giả sử bạn cần một
số khoảng trống trong hàm func () cho một số nguyên, được gọi là x. Để khai báo
một phần bộ nhớ như vậy, bạn chỉ cần làm như sau:
void func () { int x; // khai báo một số nguyên trên ngăn xếp ... }
Trình biên dịch thực hiện phần còn lại, đảm bảo tạo khoảng trống trên ngăn xếp
khi bạn gọi vào func (). Khi bạn trở về từ hàm, trình biên dịch sẽ phân bổ bộ nhớ
cho bạn; do đó, nếu bạn muốn một số thông tin tồn tại bên ngoài lệnh gọi, tốt hơn
hết bạn không nên để thông tin đó trên ngăn xếp.
Chính nhu cầu về bộ nhớ tồn tại lâu dài này đã đưa chúng ta đến loại bộ nhớ thứ
hai, được gọi là bộ nhớ heap, nơi tất cả các phân bổ và phân bổ được xử lý rõ ràng.
Dưới đây là một ví dụ về cách người ta có thể phân bổ một số nguyên trên heap:
void func () { int * x = (int *) malloc (sizeof (int)); ... }
Do bản chất rõ ràng của nó và vì cách sử dụng đa dạng hơn, bộ nhớ heap đặt ra
nhiều thách thức hơn cho cả người dùng và hệ thống. 2. The malloc () Call
Lệnh malloc () call khá đơn giản: bạn chuyển nó vào một kích thước yêu cầu
một số phòng trên heap, và nó thành công và trả lại cho bạn một con trỏ đến không
gian mới được cấp phát, hoặc không thành công và trả về NULL.
Trang hướng dẫn cho thấy những gì bạn cần làm để sử dụng malloc; gõ man
malloc tại dòng lệnh và bạn sẽ thấy: #include ... void *malloc (size_t size);
Từ thông tin này, bạn có thể thấy rằng tất cả những gì bạn cần làm là bao gồm
tệp tiêu đề stdlib.h để sử dụng malloc.
Tham số đơn malloc () nhận có kiểu size_t, nó chỉ đơn giản mô tả bạn cần bao
nhiêu byte. Các quy trình và macro khác nhau được sử dụng. Ví dụ: để phân bổ
không gian cho giá trị dấu phẩy động có độ chính xác kép, bạn chỉ cần thực hiện
như sau: double * d = (double *) malloc (sizeof (double)); 3. The free () Call
Hóa ra, phân bổ bộ nhớ là một phần dễ dàng của phương trình; biết khi nào,
bằng cách nào và thậm chí nếu để giải phóng bộ nhớ mới là phần khó. Để giải
phóng bộ nhớ heap không còn được sử dụng, lập trình viên chỉ cần gọi free ():
int *x = malloc (10 * sizeof (int)); ... free (x);
Quy trình nhận một đối số, một con trỏ được trả về bởi malloc (). Do đó, ta có
thể nhận thấy, kích thước của vùng được cấp phát không được người dùng chuyển
vào và phải được theo dõi bởi chính thư viện cấp phát bộ nhớ. 4. Các lỗi phổ biến Quên phân bổ bộ nhớ
Nhiều quy trình mong đợi bộ nhớ được cấp phát trước khi bạn gọi chúng. Ví dụ:
strcpy thường trình (dst, src) sao chép một chuỗi từ con trỏ nguồn sang con trỏ
đích. Tuy nhiên, nếu không cẩn thận, bạn có thể làm như sau: char * src = "xin chào"; char * dst; strcpy (dst, src);
Khi bạn chạy mã này, nó có thể dẫn đến lỗi phân đoạn
Không phân bổ đủ bộ nhớ
Một lỗi liên quan là không cấp đủ bộ nhớ, đôi khi được gọi là lỗi tràn bộ đệm.
Trong ví dụ trên, một lỗi phổ biến là tạo gần như đủ chỗ cho bộ đệm đích. char *
src = "xin chào"; char * dst = (char *) malloc (strlen (src)); // quá nhỏ!
strcpy (dst, src); // hoạt động bình thường
Mặc dù nó chạy đúng một lần nhưng không có nghĩa là nó chính xác. Vì nó có
thể xảy ra nhiều trường hợp khác nhau như chương trình bị lỗi và sập, …
Quên khởi tạo bộ nhớ được phân bổ
Với lỗi này, bạn gọi malloc () đúng cách, nhưng quên điền một số giá trị vào
kiểu dữ liệu mới được cấp phát của bạn. Nếu bạn quên, chương trình sẽ gặp phải
một lần đọc chưa được khởi tạo, nơi nó đọc từ đống dữ liệu có giá trị không xác
định. May mắn thì chương trình vẫn sẽ hoạt động còn không thì có thể sẽ có hại cho chương trình.
Quên để giải phóng bộ nhớ
Một lỗi phổ biến khác được gọi là rò rỉ bộ nhớ và nó xảy ra khi bạn quên giải
phóng bộ nhớ. Trong các ứng dụng hoặc hệ thống chạy lâu (chẳng hạn như chính
hệ điều hành), đây là một vấn đề lớn, vì chậm việc tạo bộ nhớ cuối cùng dẫn đến
việc hết bộ nhớ, tại thời điểm đó, khởi động lại là bắt buộc. Vì vậy, nói chung, khi
bạn sử dụng xong một phần bộ nhớ, bạn nên giải phóng nó.
Giải phóng bộ nhớ trước khi bạn hoàn tất
Đôi khi một chương trình sẽ giải phóng bộ nhớ trước khi nó được sử dụng
xong; một lỗi như vậy được gọi là con trỏ treo lơ lửng, và nó, như bạn có thể đoán,
cũng là một điều tồi tệ. Việc sử dụng tiếp theo có thể làm hỏng chương trình hoặc
ghi đè bộ nhớ hợp lệ (ví dụ: bạn đã gọi là free (), nhưng sau đó lại gọi là malloc ()
để cấp phát một thứ khác, sau đó sẽ tái chế bộ nhớ được giải phóng một cách sai lầm).
Giải phóng bộ nhớ lặp đi lặp lại
Các chương trình cũng đôi khi giải phóng bộ nhớ nhiều hơn một lần; cái này
được gọi là miễn phí gấp đôi. Kết quả của việc làm như vậy là không xác định.
Như bạn có thể tưởng tượng, thư viện cấp phát bộ nhớ có thể bị nhầm lẫn và làm
đủ thứ chuyện kỳ lạ; sự cố là một kết quả phổ biến.
Calling free () không chính xác
Một vấn đề cuối cùng mà chúng ta thảo luận là việc gọi free () không chính xác.
Rốt cuộc, free () mong rằng bạn chỉ chuyển tới nó một trong những con trỏ mà bạn
đã nhận được từ malloc () trước đó. Khi bạn vượt qua một số giá trị khác, những
điều tồi tệ có thể xảy ra. Vì vậy, những giải phóng không hợp lệ như vậy rất nguy
hiểm và tất nhiên cũng nên tránh. 5. Các lệnh Call khác
Có một số lệnh gọi khác mà thư viện cấp phát bộ nhớ hỗ trợ. Ví dụ, calloc ()
cấp phát bộ nhớ và cũng làm cho nó bằng không trước khi trả về; điều này ngăn
ngừa một số lỗi trong đó bạn cho rằng bộ nhớ bị xóa và quên tự khởi tạo bộ nhớ đó
(xem đoạn văn về “các lần đọc chưa được khởi tạo” ở trên). Quy trình realloc ()
cũng có thể hữu ích, khi bạn đã cấp phát không gian cho một thứ gì đó (ví dụ, một
mảng), và sau đó cần thêm thứ gì đó vào nó: realloc () tạo một vùng bộ nhớ mới
lớn hơn, sao chép vùng cũ vào nó và trả lại con trỏ đến vùng mới. III. Dịch địa chỉ 1.Khái niệm
Một trong những hướng tiếp cận trung tâm nhằm tổ chức quản lý bộ nhớ một cách
hiệu quả là đưa ra không gian địa chỉ được xây dựng trên không gian nhớ vật lí qua
cơ chế dịch địa chỉ.
Với dịch địa chỉ, phần cứng sẽ biến đổi từng lần truy cập bộ nhớ (ví dụ: tìm nạp, tải
hoặc lưu trữ lệnh), thay đổi địa chỉ ảo do lệnh cung cấp thành địa chỉ vật lý nơi
thực sự có thông tin mong muốn. Do đó, trên mỗi và mọi tham chiếu bộ nhớ, một
bản dịch địa chỉ được phần cứng thực hiện để chuyển hướng các tham chiếu bộ
nhớ ứng dụng đến vị trí thực tế của chúng trong bộ nhớ.
Tất nhiên, phần cứng một mình không thể ảo hóa bộ nhớ, vì nó chỉ cung cấp cơ chế
cấp thấp để thực hiện việc đó một cách hiệu quả. Hệ điều hành phải tham gia vào
các điểm chính để thiết lập phần cứng sao cho các bản dịch chính xác diễn ra; do
đó, nó phải quản lý bộ nhớ, theo dõi vị trí nào trống và vị trí nào đang được sử
dụng, đồng thời can thiệp một cách thận trọng để duy trì quyền kiểm soát cách sử dụng bộ nhớ.
Ví dụ: Một chuỗi mã ngắn tải một giá trị từ bộ nhớ, tang giá trị đó lên 3 lần rồi lưu
lại giá trị đó trở lại bộ nhớ (theo ngôn ngữ C). void func() { int x = 3000; Perry. x = x + 3; …
Trình biên dịch biến dòng mã này thành hợp ngữ, trông có vẻ một cái gì đó như thế
này (trong cụm x86). Sử dụng objdump trên Linux hoặc otool trên máy Mac để tháo rời nó: 128: movl 0x0(%ebx), %eax ;load 0+ebx into eax 132: addl $0x03, %eax ;add 3 to eax register
135: movl %eax, 0x0(%ebx) ;store eax back to mem
Đoạn mã này tương đối đơn giản; nó cho rằng địa chỉ của x đã được đặt trong
thanh ghi ebx, sau đó tải giá trị tại địa chỉ đó vào thanh ghi mục đích chung eax
bằng cách sử dụng lệnh movl (đối với di chuyển “từ dài”). Lệnh tiếp theo thêm 3
vào eax và lệnh cuối cùng lưu giá trị trong eax trở lại bộ nhớ tại đó cùng một vị trí. Hình 3.1
Trong hình, mã 3 lệnh được đặt tại địa chỉ 128 và giá trị của biến x tại địa
chỉ 15KB. Giá trị ban đầu của x là 3000, như thế hiện ở vị trí của nó trên ngăn xếp.
Khi các hướng dẫn này chạy, từ quan điểm của quy trình, truy cập bộ nhớ sau diễn ra:
• Tìm nạp lệnh tại địa chỉ 128
• Thực hiện lệnh này (tải từ địa chỉ 15 KB)
• Tìm nạp lệnh tại địa chỉ 132
• Thực hiện lệnh này (không tham chiếu bộ nhớ)
• Tìm nạp lệnh tại địa chỉ 135
• Thực hiện lệnh này (lưu vào địa chỉ 15 KB) 2.Di dời di động
Cụ thể, chúng ta sẽ cần hai thanh ghi phần cứng trong mỗi CPU: một được gọi là
thanh ghi cơ sở và thanh ghi còn lại là giới hạn (đôi khi được gọi là thanh ghi giới
hạn). Cặp cơ sở và giới hạn này sẽ cho phép chúng tôi đặt không gian địa chỉ ở bất
kỳ đâu chúng tôi muốn trong bộ nhớ vật lý và làm như vậy trong khi đảm bảo rằng
quy trình chỉ có thể truy cập vào không gian địa chỉ của chính nó.
Trong thiết lập này, mỗi chương trình được viết và biên dịch như thể nó được tải tại
địa chỉ số không. Tuy nhiên, khi một chương trình bắt đầu chạy, HĐH sẽ quyết
định vị trí trong bộ nhớ vật lý sẽ tải chương trình đó và đặt thanh ghi cơ sở thành
giá trị đó. Mỗi tham chiếu bộ nhớ được tạo bởi quy trình là một địa chỉ ảo; đến lượt
phần cứng thêm nội dung của thanh ghi cơ sở vào địa chỉ này và kết quả là một địa
chỉ vật lý có thể được cấp cho hệ thống bộ nhớ. Chuyển đổi địa chỉ ảo thành địa chỉ
vật lý nghĩa là, phần cứng lấy một địa chỉ ảo mà quy trình nghĩ rằng nó đang tham
chiếu và biến nó thành một địa chỉ vật lý, nơi chứa dữ liệu thực sự. Bởi vì việc di
chuyển địa chỉ này xảy ra trong thời gian chạy và vì chúng ta có thể di chuyển
không gian địa chỉ ngay cả sau khi quá trình đã bắt đầu chạy, nên kỹ thuật này
thường được gọi là di dời di động.
3. Hỗ trợ phần cứng: Tóm tắt
Những hỗ trợ ta cần từ phần cứng
-Chế độ đặc quyền: Cần thiết để ngăn các quy trình chế độ người dùng thực hiện
các hoạt động đặc quyền.
-Phần cứng cung cấp các thanh ghi cơ sở/giới hạn: Cần cặp thanh ghi trên mỗi
CPU để hỗ trợ dịch địa chỉ và kiểm tra giới hạn.
-Khả năng dịch địa chỉ ảo và kiểm tra xem trong giới hạn: Mạch để thực hiện các
bản dịch và kiểm tra giới hạn.
-Các hướng dẫn đặc quyền để cập nhật cơ sở/giới hạn: HĐH phải có khả năng đặt
các giá trị này trước khi cho phép chương trình người dùng chạy.
-Các hướng dẫn đặc quyền để đăng ký trình xử lý ngoại lệ: HĐH phải có thể cho
phần cứng biết mã nào sẽ chạy nếu ngoại lệ xảy ra.
-Khả năng nâng cao ngoại lệ: Khi các quy trình cố gắng truy cập các hướng dẫn
đặc quyền hoặc bộ nhớ ngoài giới hạn.
4. Vấn đề hệ điều hành
Hệ điều hành cũng có những vấn đề cần sử lý
Do đó sự kết hợp của hỗ trợ phần cứng và quản lý hệ điều hành dẫn đến việc triển
khai một bộ nhớ ảo đơn giản. Cụ thể, có một vài điểm mấu chốt nơi hệ điều hành
phải tham gia để triển khai phiên bản cơ sở và giới hạn của bộ nhớ ảo
-Thứ nhất: Tìm không gian địa chỉ trong bộ nhớ cho một tiến trình mới được tạo ra
và sau đó đánh dấu nó được sử dụng cho tiến trình đó.
-Thứ hai: Thực hiện các công việc khi một tiến trình kết thúc.Đó là đòi lại không
gian bộ nhớ tiến trình đã chấm dứt, dọn sạch mọi cấu trúc dữ liệu nếu cần.
-Thứ ba: Quản lý cơ sở/giới hạn tức là phải đặt cơ sở/giới hạn đúng cách khi
chuyển đổi ngữ cảnh do chỉ xó một cặp thanh ghi cơ sở và giới hạn trên mỗi CPU
và giá trị chúng khác nhau đối với từng tiến trình .
_Thứ tư: Xử lý ngoại lệ tức là mã bảo vệ sẽ chạy khi có xuất hiện ngoại lệ , hành
động đó có thể là chấn dứt tiến trình vi phạm.
Hình 3.1 minh họa phần lớn tương tác phần cứng/hệ điều hành trong dòng
thời gian. Hình vẽ cho thấy những gì HĐH làm vào thời điểm khởi động để sẵn
sàng cho máy để sử dụng, và sau đó điều gì xảy ra khi một quy trình (quá trình A)
bắt đầu chạy; Lưu ý cách các bản dịch bộ nhớ của nó được xử lý bởi phần cứng mà
không có sự can thiệp của HĐH. Tại một số điểm, xảy ra ngắt bộ đếm thời gian và
hệ điều hành chuyển sang xử lý B, thực hiện một tải trọng xấu (sang địa chỉ bộ nhớ
bất hợp pháp); Tại thời điểm đó, HĐH phải tham gia, chấm dứt quy trình và dọn
dẹp bằng cách giải phóng bộ nhớ Biên và xóa mục nhập của nó khỏi bảng xử lý.
Như bạn có thể thấy từ sơ đồ, chúng tôi vẫn đang theo cách tiếp cận cơ bản của
việc thực hiện trực tiếp hạn chế. Trong hầu hết các trường hợp, HĐH chỉ cần thiết
lập phần cứng một cách thích hợp và cho phép quy trình chạy trực tiếp trên CPU;
Chỉ khi quá trình sai, hệ điều hành mới phải tham gia. KẾT LUẬN
Trong chương này, chúng ta đã mở rộng khái niệm về thực thi trực tiếp có
giới hạn với một cơ chế cụ thể được sử dụng trong bộ nhớ ảo, được gọi là dịch địa
chỉ. Với tính năng dịch địa chỉ, HĐH có thể kiểm soát từng và mọi truy cập bộ nhớ
từ một tiến trình, đảm bảo các truy cập nằm trong giới hạn của không gian địa chỉ.
Với sự hỗ trợ phần cứng, thực hiện dịch nhanh chóng cho mỗi lần truy cập, chuyển
địa chỉ ảo (chế độ xem bộ nhớ của quy trình) thành địa chỉ vật lý (chế độ xem thực tế).
Ảo hóa cơ sở và giới hạn là khá hiệu quả, vì chỉ cần thêm một chút logic phần cứng
để thêm một thanh ghi cơ sở vào địa chỉ ảo và kiểm tra xem địa chỉ được tạo bởi
quy trình có bị giới hạn không. Cơ sở và giới hạn cũng cung cấp bảo vệ; HĐH và
phần cứng kết hợp để đảm bảo không có quy trình nào có thể tạo ra các tham chiếu
bộ nhớ bên ngoài không gian địa chỉ của chính nó. Bảo vệ chắc chắn là một trong
những mục tiêu quan trọng nhất của HĐH; Không có nó, HĐH không thể điều
khiển máy (nếu các quy trình được tự do ghi đè lên bộ nhớ, họ có thể dễ dàng thực
hiện những việc khó chịu như ghi đè lên bảng bẫy và chiếm lấy hệ thống).
Nhưng kỹ thuật di dời động đơn giản này có sự thiếu hiệu quả của nó vì nó bị phân
mảnh bên trong, vì không gian bên trong đơn vị được phân bổ không được sử dụng
(tức là, bị phân mảnh) và do đó lãng phí. Vì vậy, chúng ta sẽ cần máy móc tinh vi
hơn, để cố gắng sử dụng bộ nhớ vật lý tốt hơn và tránh phân mảnh nội bộ. Và để
giải quyết thì một khái quát nhỏ về cơ sở và giới hạn được gọi là phân đoạn được hình thành.