Giáo án - bài giảng: Giới thiệu về bài giảng môn hệ điều hành Chương 3: Quản lý bộ nhớ máy tính

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG MÔN
HỆ ĐIỀU HÀNH
Giảng viên: ThS. Nguyễn Thị Ngọc Vinh
Bộ môn: Khoa học máy tính- Khoa CNTT1
Học kỳ/Năm biên soạn: I/ 2009 - 2010
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 2
CHƢƠNG 3: QUẢN LÝ BỘ NHỚ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 3
1. Địa chỉ và các vấn đề liên quan
2. Một số cách tổ chức chƣơng trình
3. Các yêu cầu quản lý bộ nhớ
4. Phân chƣơng bộ nhớ
5. Phân trang bộ nhớ
6. Phân đoạn bộ nhớ
7. Bộ nhớ ảo
NỘI DUNG
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 4
 Vấn đề gán địa chỉ:
 Khi viết chƣơng trình, sử dụng địa chỉ
dƣới dạng tên (biến, hàm)
 Khi dịch, chƣơng trình dịch ánh xạ các
tên đó theo địa chỉ tƣơng đối tính từ
đầu file obj(biến, hàm)
 Chƣơng trình liên kết ánh xạ tiếp địa

chỉ đó thành địa chỉ tƣơng đối tính từ
đầu chƣơng trình
 HDH đọc chƣơng trình vào bộ nhớ
để thực hiện; vị trí trong bộ nhớ
không biết trƣớc
=> HDH cần có khả năng gán địa chỉ
I. ĐỊA CHỈ VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
Mã nguồn
(prog.c)
Chương trình
dịch
Mô đun object
(prog.o)
Chương trình
liên kết
Mã nguồn mô
đun khác
(printf.c)
Chương trình
dịch
Mô đun object
(printf.o)
Thư viện hóa
Thư viện
(*.lib)
Mô đun tải
được
(prog.exe)
Chương trình
tải (hệ điều

hành)
Tiến trình trong
bộ nhớ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 5
 Địa chỉ logic:
 Gán cho các lệnh và dữ liệu không phụ thuộc vào vị trí
cụ thể tiến trình trong bộ nhớ
 Chƣơng trình ứng dụng chỉ nhìn thấy và làm việc với
địa chỉ logic này
 Là địa chỉ tƣơng đối tức là mỗi phần tử của chƣơng
trình đƣợc gán một địa chỉ tƣơng đối đối với một vị trí
nào đó
I. ĐỊA CHỈ VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 6
 Địa chỉ vật lý:
 Là địa chỉ chính xác trong bộ nhớ máy tính
 Các mạch nhớ sử dụng để truy nhập tới chƣơng trình và
dữ liệu
 Địa chỉ logic đƣợc chuyển thành địa chỉ vật lý nhờ
khối ánh xạ địa chỉ.
I. ĐỊA CHỈ VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 7
 Hàm chƣa bị gọi thì chƣa tải vào bộ nhớ
 Chƣơng trình chính đƣợc load vào bộ nhớ và chạy

 Khi có lời gọi hàm:
 Chƣơng trình sẽ kiểm tra hàm đó đƣợc tải vào chƣa.
 Nếu chƣa, chƣơng trình sẽ tiến hành tải sau đó ánh xạ địa chỉ
hàm vào không gian chung của chƣơng trình và thay đổi bảng
địa chỉ để ghi lại các ánh xạ đó
 Lập trình viên đảm nhiệm, HDH cung cấp các hàm thƣ
viện cho tải động
II. MỘT SỐ CÁCH TỔ CHỨC CHƢƠNG TRÌNH
1. Tải trong quá trình thực hiện
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 8
 Liên kết tĩnh: các hàm và thƣ viện đƣợc
liên kết luôn vào chƣơng trình
 Lãng phí không gian cả trên đĩa và
MEM trong
 Trong giai đoạn liên kết, không kết nối
các hàm thƣ viện vào chƣơng trình mà
chỉ chèn các thông tin về hàm thƣ viện
đó (stub)
II. MỘT SỐ CÁCH TỔ CHỨC CHƢƠNG TRÌNH
2. Liên kết động và thƣ viện dùng chung
Mã nguồn
(prog.c)
Chương trình
dịch
Mô đun object
(prog.o)
Chương trình
liên kết

Mô đun khác
(printf.c)
Chương trình
dịch
Mô đun object
(printf.o)
Thư viện hóa
Thư viện dùng
chung (*.dll)
Mô đun tải
được
(prog.exe)
Chương trình tải
(hệ điều hành)
Tiến trình trong bộ nhớ
Chương trình tải
động (hệ điều
hành)
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 9
 Các modul thƣ viện đƣợc liên kết trong quá trình thực
hiện:
 Không giữ bản sao các modul thƣ viện mà tiến trình giữ stub
chứa thông tin về modul thƣ viện
 Khi stub đƣợc gọi, nó kiểm tra modul tƣơng ứng đã có trong bộ
nhớ chƣa. Nếu chƣa, thì tải phần còn lại và dùng.
 Lần tiếp theo cần sử dụng, modul thƣ viện sẽ đƣợc chạy trực
tiếp
 Mỗi modul thƣ viện chỉ có 1 bản sao duy nhất chứa trong MEM

 Cần hỗ trợ từ HDH
II. MỘT SỐ CÁCH TỔ CHỨC CHƢƠNG TRÌNH
2. Liên kết động và thƣ viện dùng chung
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 10
 Cần có khả năng tráo đổi các tiến trình vào và ra ngoài
MEM để tối đa sử dụng vi xử lý
 Không thể yêu cầu tiến trình đƣợc chuyển lại vào MEM
thì phải vào đúng chỗ nó đã dùng trƣớc khi bị chuyển ra
III. CÁC YÊU CẦU QUẢN LÝ BỘ NHỚ
1. Cấp phát lại
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 11
 Mỗi tiến trình phải đƣợc bảo vệ khỏi các tham chiếu
không mong muốn từ các tiến trình khác vào vùng nhớ
dành cho mình
 Mọi tham chiếu bộ nhớ của 1 tiến trình phải đƣợc kiểm
tra lúc chạy
 HDH không đoán trƣớc đƣợc mọi tham chiếu MEM =>
phần cứng VXL đảm nhiệm
III. CÁC YÊU CẦU QUẢN LÝ BỘ NHỚ
2. Bảo vệ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 12
 Nhiều tiến trình cần và đƣợc phép truy cập vào cùng 1
vùng nhớ
 Các tiến trình đang cộng tác cần chia sẻ truy nhập tới 1

cấu trúc dữ liệu
 => Phải cho phép truy cập tới các vùng chia sẻ
III. CÁC YÊU CẦU QUẢN LÝ BỘ NHỚ
3. Chia sẻ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 13
 Cấu trúc logic:
 MEM đƣợc cấu trúc 1 cách tuyến tính gồm các byte,
còn chƣơng trình đƣợc tổ chức thành các modul
 Phải đáp ứng để:
 Các modul có thể đƣợc viết và thông dịch 1 cách độc lập
 Mức độ bảo vệ có thể khác nhau
 Modul có thể đƣợc chia sẻ giữa các tiến trình
III. CÁC YÊU CẦU QUẢN LÝ BỘ NHỚ
4. Cấu trúc logic & cấu trúc vật lý
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 14
 Cấu trúc vật lý:
 2 mức:
 Bộ nhớ chính: nhanh; chi phí cao, dung lƣợng ít
 Bộ nhớ phụ: dung lƣợng lớn, cho phép lƣu chƣơng trình và
dữ liệu trong thời gian dài
 Hệ thống có trách nhiệm chuyển đổi thông tin giữa 2
mức
III. CÁC YÊU CẦU QUẢN LÝ BỘ NHỚ
4. Cấu trúc logic & cấu trúc vật lý
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1

Trang 15
 Chia MEM thành các chƣơng với số lƣợng nhất định,
không thay đổi, gán cho tiến trình 1 chƣơng chứa data,
lệnh
 Kích thƣớc các chƣơng bằng nhau:
 Đơn giản
 Kích thƣớc chƣơng trình > kích thƣớc chƣơng => không thể
cấp phát
 Gây phân mảnh trong
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
1. Phân chƣơng cố định
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 16
 Kích thƣớc các chƣơng khác nhau:
 Chọn chƣơng có kích thƣớc nhỏ nhất: cần có hàng đợi
lệnh cho mỗi chƣơng:
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
1. Phân chƣơng cố định
 Giảm phân mảnh trong, tối
ƣu cho từng chƣơng
 Hệ thống không tối ƣu
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 17
 Kích thƣớc các chƣơng khác nhau:
 Dùng hàng đợi chung cho mọi chƣơng:
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
1. Phân chƣơng cố định
 Chƣơng sẵn có nhỏ nhất sẽ

đƣợc cấp phát
 Khi 1 chƣơng đƣợc giải
phóng: chọn tiến trình gần
đầu hàng độ nhất và có
kích thƣớc phù hợp nhất
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 18
 Ƣu điểm: đơn giản, ít xử lý
 Nhƣợc điểm:
 Số lƣợng chƣơng xác định tại thời điểm tạo hệ thống hạn chế số
lƣợng tiến trình hoạt động
 Kích thƣớc chƣơng thiết lập trƣớc: không hiệu quả
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
1. Phân chƣơng cố định
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 19
 Kích thƣớc, số lƣợng và vị trí chƣơng đều có thể thay đổi
 Khi có yêu cầu, HDH cấp cho tiến trình 1 chƣơng có kích
thƣớc đúng bằng tiến trình đó
 Khi tiến trình kết thúc sẽ tạo vùng trống trong MEM
 Các vùng trống nằm cạnh nhau đƣợc nhập lại thành vùng
lớn hơn
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
2. phân chƣơng động
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 20
 Tránh phân mảnh trong

 Gây phân mảnh ngoài: dồn những vùng trống nhỏ thành lớn
(nén)
 Sử dụng các chiến lƣợc cấp chƣơng
 Chọn vùng thích hợp đầu tiên
 Vùng thích hợp nhất
 Vùng không thích hợp nhất
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
2. Phân chƣơng động
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 21
 Các chƣơng và khối trống có kích thƣớc là lũy thừa của 2
k
(L≤k≤H): 2
L
: kích thƣớc nhỏ nhất của chƣơng; 2
H
: kích
thƣớc MEM
 Đầu tiên, toàn bộ không gian nhớ là 2
H
, yêu cầu cấp vùng
nhớ S
 2
H-1
<S≤ 2
H
: cấp cả 2
H
 Chia đôi thành 2 vùng 2

H-1
:
 Nếu 2
H-2
<S≤ 2
H-1
: cấp 2
H-1
 Tiếp tục chia đôi tới khi tìm đƣợc vùng thỏa mãn 2
k-1
<S≤ 2
k
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
3. Phƣơng pháp kề cận (buddy system)
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 22
 Sau một thời gian xuất hiện các khối trống có kích thƣớc 2
k
 Tạo danh sách móc nối các vùng có cùng kích thƣớc
 Nếu có 2 khối trống cùng kích thƣớc và kề nhau thì ghép lại
thành 1
 Khi cần cấp, sẽ tìm trong danh sách khối phù hợp nhất; nếu
không tìm khối lớn hơn và cắt đôi
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
3. Phƣơng pháp kề cận
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 23
IV. KỸ THUẬT PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ

3. Phƣơng pháp kề cận
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 24
 Vị trí các chƣơng thƣờng không biết trƣớc và có thể thay đổi
=> cần có cơ chế biến đổi địa chỉ logic thành vật lý
 Cấm truy cập trái phép: tiến trình này truy cập tới phần MEM
của tiến trình khác
 Ánh xạ địa chỉ do phần cứng đảm nhiệm
IV. PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
4. Ánh xạ địa chỉ và chống truy cập trái phép
CPU
<
Thanh ghi
giới hạn
Thanh ghi cơ
sở
+
Bộ nhớ
Địa chỉ lô
gic
Địa chỉ
vật lý
yes
no
Lỗi truy cập bộ nhớ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: THS NGUYỄN THỊ NGỌC VINH
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH – KHOA CNTT1
Trang 25
 Khi tiến trình đƣợc tải vào MEM, CPU dành 2 thanh ghi:

 Thanh ghi cơ sở: chứa địa chỉ bắt đầu của tiến trình
 Thanh ghi giới hạn: chứa độ dài chƣơng
 Địa chỉ logic đƣợc so sánh với nội dung của thanh ghi giới
hạn
 Nếu lớn hơn: lỗi truy cập
 Nhỏ hơn: đƣợc đƣa tới bộ cộng với thanh ghi cơ sở để thành địa chỉ
vật lý
 Nếu chƣơng bị di chuyển thì nội dung của thanh ghi cơ sở bị
thay đổi chứa địa chỉ vị trí mới
IV. PHÂN CHƢƠNG BỘ NHỚ
4. Ánh xạ địa chỉ và chống truy cập trái phép