Gestione della memoria centrale
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La memoria principale è una risorsa essenziale per
un elaboratore
Un programma per essere eseguito deve risiedere
all'interno della memoria principale e lo stesso
discorso vale per i dati su cui esso opera
Se molti processi devono essere eseguiti
contemporaneamente, si dovrà trovare un
meccanismo per permettere a questi processi di
condividere l'uso della memoria principale
Gestione della memoria centrale
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Esistono due tecniche fondamentali per la gestione
della memoria principale:
 tecniche
non virtuali (memoria reale):
tutta l’immagine* di un processo attivo deve essere caricata
in memoria principale
 tecniche
virtuali (memoria virtuale):
un processo attivo può avere solo una parte della sua
immagine caricata in memoria principale
*immagine di un processo: programma che il processo sta eseguendo
Tecniche non virtuali
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Data la memoria principale fisicamente esistente
all'interno di un elaboratore, come dobbiamo
allocarla ai processi che devono essere eseguiti?
Consideriamo dapprima il caso, molto semplice, di
un sistema mono-programmato in cui in ogni istante
esiste un solo processo di utente
In realtà abbiamo anche dei processi di sistema, e
quindi dovremo destinare una parte della memoria
alla parte residente del sistema operativo e una
parte al processo utente
Sistema mono programmato
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La memoria è divisa in due partizioni: una
destinata al SO; l’ altra al processo utente
Di solito si sceglie di destinare al sistema operativo
le prime o le ultime celle della memoria
0
X
X+1
Sistema Operativo
S.O.
processo
utente
N
Tecniche non virtuali
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Veniamo ora al caso di un sistema multiprogrammato in cui più programmi utente P1,
P2…Pn sono eseguiti contemporaneamente.
Per ciascuno di questi processi il programma ed i
dati corrispondenti devono essere in memoria
principale
Dobbiamo suddividere la memoria non occupata dal
SO in n partizioni: una per ciascuno degli n
processi
Tecniche non virtuali
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Nel caso di un sistema con partizioni di memoria
multiple sorgono nuovi problemi di gestione per il
sistema operativo
 Quante
partizioni creare e di quali dimensioni?
 Le partizioni sono create una volta per tutte al
momento della configurazione del sistema o possono
essere modificate a seconda delle necessità
correnti?
 Come si sceglie la partizione in cui caricare
l'immagine di un processo?
 Come si tiene traccia di dove sono stati caricati i
processi?
 Come si proteggono i programmi tra di loro?
Tecniche non virtuali
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Per tener traccia delle zone di memoria in cui sono
stati caricati i programmi è sufficiente mantenere nel
descrittore di ciascun processo l'indirizzo iniziale
della partizione in cui esso è caricato
Quando si hanno più processi in memoria si deve
fare in modo che nessuno di essi possa operare in
una zona di memoria destinata ad un altro
Ad ogni processo deve essere consentito di leggere
e scrivere solo all'interno della sua partizione in
modo da non danneggiare l'esecuzione degli altri
Tecniche non virtuali
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Si possono utilizzare due registri per delimitare la
partizione di memoria del processo in esecuzione e,
ogni volta che si vuole fare un accesso in memoria,
si dovrà controllare che l’indirizzo prodotto sia
valido, cioè all’interno della partizione in cui è
caricata l’immagine del processo
Indirizzo iniziale partizione
Indirizzo finale partizione
Sistema Operativo
S.O.
processo
utente
Tecniche non virtuali
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Suddivisione della memoria in
 partizioni
fisse
 partizioni variabili
S.O.
200KB
100KB
100KB
S.O.
area libera
400 KB
S.O.
50 KB
area libera
350 KB
Tecniche non virtuali
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Le tecniche di partizioni (sia fisse che variabili) provocano
uno spreco di spazio di memoria, noto con il nome di
frammentazione:

Con le partizioni fisse, all’interno di ogni partizione ci sara’
uno spazio non utilizzato (difficilmente un programma ha le
stesse dimensioni di una partizione): frammentazione interna

Con le partizioni variabili, dopo un certo numero di allocazione
e deallocazione di processi, si formeranno un certo numero di
porzioni di memoria libere (“buchi”), di dimensioni insufficienti a
contenere un processo: frammentazione esterna
Tecniche virtuali
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Uno degli obiettivi di un sistema operativo multiprogrammato, in particolare in ambiente multiutente, è quello di nascondere il più possibile a
ciascun processo (a ciascun utente) la presenza
degli altri processi (utenti) che stanno condividendo
le risorse di calcolo
Compito del sistema operativo è quello di fornire ad
ogni singolo processo una visione astratta in cui
esso ha una macchina virtuale interamente a sua
disposizione
Tecniche virtuali
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Nel caso della gestione del processore abbiamo
visto che la tecnica di alternare l'esecuzione fa sì
che ogni utente abbia l'impressione che il suo
programma sia sempre in esecuzione
Per quanto riguarda la gestione della memoria, il
problema è più complesso. Si vuole che ogni utente
possa, almeno in linea di principio, scrivere
programmi grandi almeno quanto la memoria reale
e che questi programmi possano essere eseguiti
contemporaneamente ad altri
Tecniche virtuali
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In alcuni casi si vogliono addirittura nascondere agli
utenti le dimensioni della memoria fisica e fare in
modo che essi possano scrivere dei programmi di
dimensione qualunque, anche molto più grandi
dello spazio di memoria effettivamente esistente
sulla macchina hardware
In questo modo, tra l'altro, è possibile che un utente
esegua i suoi programmi su macchine differenti,
senza doversi preoccupare delle dimensioni delle
loro memorie centrali
Tecniche virtuali
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Questa visione astratta della memoria prende il
nome di memoria virtuale e i programmi di sistema
che la realizzano prendono il nome di gestori della
memoria virtuale
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La tecnica fondamentale per la gestione della
memoria virtuale consiste nel caricare le immagini
dei processi nella memoria centrale a pezzi
Tecniche virtuali
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Supponiamo di avere a disposizione una memoria
principale (spazio utente) di 1 MByte e di voler
eseguire simultaneamente due programmi che
richiedono entrambi 1 Mbyte
Le tecniche di gestione della memoria a partizioni
fisse o variabili non ci permettono di eseguire
contemporaneamente questi due programmi
perché le loro immagini non possono essere
caricate entrambe nella memoria principale
Tecniche virtuali
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Per eseguire un processo non è necessario
caricare completamente in memoria la sua
immagine
È sufficiente caricare in memoria principale solo
quelle parti del programma e dei dati che servono
durante una certa fase dell'elaborazione; le altre
parti possono essere tenute su un supporto di
memoria secondaria
In questo modo la memoria potrà essere condivisa
da più processi in quanto, in ogni istante, solo una
parte di ognuno di essi risiederà in memoria
Tecniche virtuali
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Per gestire la memoria in modo virtuale, è
necessario avere:
 La
memoria principale in cui tenere solo i
programmi, o i pezzi di programmi, che servono in un
certo istante.
 Un
supporto di memoria secondaria in cui
mantenere tutte le immagini dei processi che
verranno caricate di volta in volta nella memoria
principale (solitamente si utilizzano come supporti di
memoria secondaria i dischi rigidi perché sono
necessari dei supporti veloci e con accesso diretto,
per fare in modo che il tempo richiesto per i caricare
programmi dalla memoria secondaria a quella
principale non sia troppo alto)
Tecniche virtuali
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Si possono tenere in memoria solo alcune parti delle
immagini dei processi, purché si sia sempre in grado di
caricare le altre parti quando servono. Questa è proprio
l'idea che sta alla base delle tecniche di gestione a pezzi e,
in particolare, della tecnica di paginazione a richiesta
(demand paging)
Nella paginazione l'immagine di un processo viene
suddivisa in blocchi (pagine), tutte della stessa dimensione,
che vengono caricate all'interno della memoria principale in
modo indipendentemente, anche in posizioni non contigue.
La contiguita’ del processo viene realizzata da una Tabella
delle Pagine che memorizza per ogni pagina del processo la
sua posizione in RAM (se e’ caricata).
Tecniche virtuali
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Se durante l’esecuzione del processo, la CPU fa riferimento
ad un indirizzo che appartiene ad una pagina non
caricata in RAM, il SO provvede a mettere il processo in
stato d’attesa e a far partire il caricamento della pagina
richiesta, dopo di che’ il processo puo’ riprendere la sua
esecuzione.
Nella paginazione a domanda, esiste ancora il problema
della frammentazione, che e’ pero’ limitato al fatto che
l’ultima pagina di ogni processo e’ solo parzialmente
occupata (mediamente si puo’ considerare uno spreco pari a
circa ½ pagina per ogni processo).
Tecniche virtuali
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Per avere un sistema di gestione della memoria
basato sul demand paging anche la memoria
principale dell'elaboratore deve essere suddivisa in
un certo numero di blocchi, tutti delle stesse
dimensioni (uguali alla dimensione della pagina)
RAM
P1/2
P3/1
P2/1
P1/1
P2/2
P1/2
P1/3
P1/3
P3/1
P3/2
P2/1
P2/2
P2/3