Bài giảng Hệ điều hành - Chương 8: Bộ nhớ ảo

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 8 – Bộ nhớ ảo
11/2/2017
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1
Câu hỏi ôn tập chương 7
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 2
 Bộ nhớ luận lý là gì? Bảng phân trang dùng để làm gì?
 Bảng trang được lưu trữ ở đâu? Các thanh ghi cần sử 
dụng trong cơ chế phân trang?
 TBL là gì? Dùng để làm gì?
 Thế nào là phân trang đa cấp? Cho ví dụ?
 Tại sao phải phân đoạn? Các đoạn được phân chia do cái 
gì?
 Các thanh ghi được sử dụng trong phân đoạn?
Câu hỏi ôn tập chương 7 (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 3
Xét một không gian địa chỉ có  14 trang, mỗi trang có 
kích thước 1MB. ánh xạ vào bộ nhớ vật lý có 38 khung 
trang
a) Địa chỉ logic gồm bao nhiêu bit ?
b) Địa chỉ physic gồm bao nhiêu bit ?
c) Bảng trang có bao nhiêu mục? Mỗi mục trong bảng 
trang cần bao nhiêu bit?
Câu hỏi ôn tập chương 7 (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 4
Xét một hệ thống sử dụng kỹ thuật phân trang, với bảng 
trang được lưu trữ trong bộ nhớ chính. 
a) Nếu thời gian cho một lần truy xuất bộ nhớ bình thường 
là 124 nanoseconds, thì mất bao nhiêu thời gian cho một 
thao tác truy xuất bộ nhớ trong hệ thống này ?
b) Nếu sử dụng TLBs với hit-ratio ( tỉ lệ tìm thấy) là 95%, 
thời gian để tìm trong TLBs bằng 34, tính thời gian cho 
một thao tác truy xuất bộ nhớ trong hệ thống ( effective 
memory reference time)
Câu hỏi ôn tập chương 7 (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 5
 Địa chỉ vật lý 6568 sẽ được chuyển thành địa chỉ ảo bao 
nhiêu? Biết rằng kích thước mỗi frame là 1K bytes
 Địa chỉ ảo 3254 sẽ được chuyển thành địa chỉ vật lý bao 
nhiêu? Biết rằng kích thước mỗi frame là 2K bytes
Câu hỏi ôn tập chương 7 (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 6
 Xét một hệ thống sử dụng kỹ thuật phân trang, với bảng 
trang được lưu trữ trong bộ nhớ chính. Nếu sử dụng 
TLBs với hit-ratio ( tỉ lệ tìm thấy) là 87%, thời gian để 
tìm trong TLBs là 24 nanosecond. Thời gian truy xuất 
bộ nhớ trong hệ thống ( effective memory reference 
time) là 175. Tính thời gian cho một lần truy xuất bộ 
nhớ bình thường ?
Câu hỏi ôn tập chương 7 (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 7
 Biết thời gian truy xuất trong bộ nhớ thường không sử 
dụng TLB là 250ns. Thời gian tìm kiếm trong bảng TLB 
là 26ns. Hỏi xác xuất bằng bao nhiêu nếu thời gian truy 
xuất trong bộ nhớ chính là 182ns.
Câu hỏi ôn tập chương 7 (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 8
Xét bảng phân đoạn sau đây :
Cho biết địa chỉ vật lý tương ứng với các địa chỉ logic sau 
đây :
a. 0,430 b. 1,100 c. 2,500 d. 3,400 e. 4,112
Mục tiêu chương 8
 Hiểu được các khái niệm tổng quan về bộ nhớ ảo
 Hiểu và vận dụng các kỹ thuật cài đặt được bộ nhớ ảo:
 Demand Paging
 Page Replacement
 Demand Segmentation
 Hiểu được một số vấn đề trong bộ nhở ảo
 Frames
 Thrashing
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 9
Nội dung chương 8
 Tổng quan về bộ nhớ ảo 
 Cài đặt bộ nhớ ảo: Demand Paging
 Cài đặt bộ nhớ ảo: Page Replacement
 Các giải thuật thay trang (Page Replacement 
Algorithms)
 Vấn đề cấp phát Frames
 Vấn đề Thrashing
 Cài đặt bộ bộ nhớ ảo: Demand Segmentation
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 10
Tổng quan bộ nhớ ảo
Nh ận xét: không phải tất cả các phần của một process cần thiết
phải được nạp vào bộ nhớ chính tại cùng một thời điểm
 Ví dụ:
Đo ạn mã điều khiển các lỗi hiếm khi xảy ra
 Các arrays, list, tables được cấp phát bộ nhớ (cấp phát tĩnh)
nhiều hơn yêu cầu thực sự
 Một số tính năng ít khi được dùng của một chương trình
 Cả chương trình thì cũng có đoạn code chưa cần dùng
 Bộ nhớ ảo (virtual memory): Bộ nhớ ảo là một kỹ thuật cho phép
xử lý một tiến trình không được nạp toàn bộ vào bộ nhớ vật lý
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 11
Tổng quan bộ nhớ ảo
Ưu điểm của bộ nhớ ảo
 Số lượng process trong bộ nhớ nhiều hơn
 Một process có thể thực thi ngay cả khi kích thước của nó
lớn hơn bộ nhớ thực
Gi ảm nhẹ công việc của lập trình viên
Không gian tráo đổi giữa bộ nhớ chính và bộ nhớ phụ(swap
space).
 Ví dụ:
swap partition trong Linux
file pagefile.sys trong Windows
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 12
Cài đặt bộ nhớ ảo
 Có hai kỹ thuật:
Phân trang theo yêu cầu (Demand Paging)
Phân đoạn theo yêu cầu (Segmentation Paging)
Ph ần cứng memory management phải hỗ trợ paging và/hoặc
segmentation
OS phải quản lý sự di chuyển của trang/đoạn giữa bộ nhớ chính
và bộ nhớ thứ cấp
Trong chương này,
Ch ỉ quan tâm đến paging
Ph ần cứng hỗ trợ hiện thực bộ nhớ ảo
 Các giải thuật của hệ điều hành
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 13
Phân trang theo yêu cầu
Demand paging: các trang của quá trình chỉ được nạp vào bộ nhớ
chính khi được yêu cầu.
Khi có một tham chiếu đến một trang mà không có trong bộ nhớ
chính (valid bit) thì phần cứng sẽ gây ra một ngắt (gọi là page-fault
trap) kích khởi page-fault service routine (PFSR) của hệ điều hành.
 PFSR:
Chuy ển process về trạng thái blocked
Ph át ra một yêu cầu đọc đĩa để nạp trang được tham chiếu vào
một frame trống; trong khi đợi I/O, một process khác được cấp
CPU để thực thi
Sau khi I/O hoàn tất, đĩa gây ra một ngắt đến hệ điều hành; PFSR
cập nhật page table và chuyển process về trạng thái ready.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 14
Lỗi trang và các bước xử lý
11/2/2017 15Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Thay thế trang nhớ
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 16
Bư ớc 2 của PFSR giả sử phải thay trang vì không tìm được frame trống,
PFSR được bổ sung như sau:
 Xác định vị trí trên đĩa của trang đang cần
 Tìm một frame trống:
Nếu có frame trống thì dùng nó
Nếu không có frame trống thì dùng một giải thuật thay trang để
chọn một trang hy sinh (victim page)
Ghi victim page lên đĩa; cập nhật page table và frame table tương
ứng
 Đọc trang đang cần vào frame trống (đã có được từ bước 2); cập
nhật page table và frame table tương ứng.
Thay thế trang nhớ (tt)
11/2/2017 17Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Thay thế trang nhớ (tt)
Hai vấn đề chủ yếu:
Frame -allocation algorithm
 Cấp phát cho process bao
nhiêu frame của bộ nhớ thực?
Page -replacement algorithm
Ch ọn frame của process sẽ
được thay thế trang nhớ
 Mục tiêu: số lượng page-fault
nhỏ nhất
Đư ợc đánh giá bằng cách thực
thi giải thuật đối với một
chuỗi tham chiếu bộ nhớ
(memory reference string) và
xác định số lần xảy ra page
fault
11/2/2017 18
Ví dụ
Thứ tự tham chiếu các địa chỉ nhớ,
với page size = 100:
0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103,
0104, 0101, 0611, 0102, 0103, 0104,
0101, 0610, 0102, 0103, 0104, 0101,
0609, 0102, 0105
các trang nhớ sau được tham chiếu
lần lượt = chuỗi tham chiếu bộ nhớ
(trang nhớ)
1, 4, 1, 6, 1,
1, 1, 1, 6, 1,
1, 1, 1, 6, 1,
1, 1, 1, 6, 1,
1
Copyrights 2017 CE-UIT . All Rights Reserved.
Giải thuật thay trang FIFO
 Các dữ liệu cần biết ban đầu:
 Số khung trang
 Tình trạng ban đầu
Chu ỗi tham chiếu
11/2/2017 19Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Nghịch lý Belady
11/2/2017 20Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Nghịch lý Belady
11/2/2017 21Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Bất thường (anomaly) Belady: số page fault tăng 
mặc dầu quá trình đã được cấp nhiều frame hơn.
Giải thuật thay trang OPT
Gi ải thuật thay trang OPT
Thay thế trang nhớ sẽ được tham chiếu trễ nhất trong tương
lai
 Ví dụ: một process có 7 trang, và được cấp 3 frame
11/2/2017 22Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Giải thuật thay trang LRU
 Mỗi trang được ghi nhận (trong bảng phân trang) thời điểm được tham
chiếu ⇒ trang LRU là trang nhớ có thời điểm tham chiếu nhỏ nhất (OS
tốn chi phí tìm kiếm trang nhớ LRU này mỗi khi có page fault)
 Do vậy, LRU cần sự hỗ trợ của phần cứng và chi phí cho việc tìm
kiếm. Ít CPU cung cấp đủ sự hỗ trợ phần cứng cho giải thuật LRU.
11/2/2017 23Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
LRU và FIFO
11/2/2017 24Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
So sánh các giải thuật thay trang LRU và FIFO
Số lượng frame cấp cho process
OS phải quyết định cấp cho mỗi process bao nhiêu frame.
 Cấp ít frame ⇒ nhiều page fault
 Cấp nhiều frame ⇒ giảm mức độ multiprogramming
Chi ến lược cấp phát tĩnh (fixed-allocation)
 Số frame cấp cho mỗi process không đổi, được xác định vào thời
điểm loading và có thể tùy thuộc vào từng ứng dụng (kích thước của
nó,)
Chi ến lược cấp phát động (variable-allocation)
 Số frame cấp cho mỗi process có thể thay đổi trong khi nó chạy
Nếu tỷ lệ page-fault cao ⇒ cấp thêm frame
Nếu tỷ lệ page-fault thấp ⇒ giảm bớt frame
OS phải mất chi phí để ước định các process
11/2/2017 25Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Chiến lược cấp phát tĩnh
 Cấp phát bằng nhau: Ví dụ, có 100 frame và 5 process → mỗi process được 20 
frame
 Cấp phát theo tỉ lệ: dựa vào kích thước process
 Cấp phát theo độ ưu tiên
11/2/2017 26Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Ví dụ:
Trì trệ trên toàn bộ hệ thống
 Nếu một process không có đủ số frame cần thiết thì tỉ số page
faults/sec rất cao.
Thrashing : hiện tượng các trang nhớ của một process bị hoán
chuyển vào/ra liên tục.
11/2/2017 27Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Mô hình cục bộ
 Để hạn chế thrashing, hệ điều hành phải cung cấp cho process
càng “đủ” frame càng tốt. Bao nhiêu frame thì đủ cho một
process thực thi hiệu quả?
Nguyên lý locality (locality principle)
Locality là tập các trang được tham chiếu gần nhau
 Một process gồm nhiều locality, và trong quá trình thực thi,
process sẽ chuyển từ locality này sang locality khác
 Vì sao hiện tượng thrashing xuất hiện?
Khi Σ size of locality > memory size
11/2/2017 28Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Giải pháp tập làm việc
Đư ợc thiết kế dựa trên nguyên lý locality.
 Xác định xem process thực sự sử dụng bao nhiêu frame.
 Định nghĩa:
WS (t) - số lượng các tham chiếu trang nhớ của process gần
đây nhất cần được quan sát.
 - khoảng thời gian tham chiếu
 Ví dụ:
11/2/2017 29Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
2 4 5 6 9 1 3 2 6 3 9 2 1 4
thời điểm t1
 = 4
chuỗi tham khảo
trang nhớ
Giải pháp tập làm việc (tt)
 Định nghĩa: working set của process Pi , ký hiệu WSi , là tập gồm Δ các trang
được sử dụng gần đây nhất.
Nh ận xét:
 Δ quá nhỏ⇒ không đủ bao phủ toàn bộ locality.
 Δ quá lớn ⇒ bao phủ nhiều locality khác nhau.
 Δ = ∞ ⇒ bao gồm tất cả các trang được sử dụng.
Dùng working set của một process để xấp xỉ locality của nó.
11/2/2017 30Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
chuỗi tham khảo trang
Ví dụ: Δ = 10 và
Giải pháp tập làm việc (tt)
 Định nghĩa: WSSi là kích thước của working ser của Pi:
WSSi = số lượng các trang trong WSi
11/2/2017 31Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
chuỗi tham khảo trang
Ví dụ: Δ = 10 và
WSS(t1) = 5 WSS(t2) = 2
Giải pháp tập làm việc (tt)
 Đặt D = Σ WSSi = tổng các working-set size của mọi process
trong hệ thống.
Nh ận xét: Nếu D > m (số frame của hệ thống) ⇒ sẽ xảy ra
thrashing.
Gi ải pháp working set:
Khi khởi tạo một quá trình: cung cấp cho quá trình số lượng
frame thỏa mản working-set size của nó.
 Nếu D > m⇒ tạm dừng một trong các process.
Các trang của quá trình được chuyển ra đĩa cứng và các
frame của nó được thu hồi.
11/2/2017 32Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Giải pháp tập làm việc (tt)
WS  loại trừ được tình trạng trì trệ mà vẫn đảm bảo mức 
độ đa chương 
Theo  vết các WS? => WS xấp xỉ (đọc thêm trong sách)
Đọc thêm:
Hệ thống tập tin 
Hệ thống nhập xuất 
Hệ thống phân tán 
11/2/2017 33Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Tóm tắt lại nội dung buổi học
 Tổng quan về bộ nhớ ảo 
 Cài đặt bộ nhớ ảo: Demand Paging
 Cài đặt bộ nhớ ảo: Page Replacement
 Các giải thuật thay trang (Page Replacement 
Algorithms)
 Vấn đề cấp phát Frames
 Vấn đề Thrashing
 Cài đặt bộ bộ nhớ ảo: Demand Segmentation
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 34
Câu hỏi ôn tập chương 8
Tại sao cần phải có bộ nhớ ảo?1.
Có bao nhiêu kỹ thuật cài đặt bộ nhớ ảo? Mô tả sơ lượt 2.
các kỹ thuật đó?
Các bước thực hiện kỹ thuật phân trang theo yêu cầu?3.
Mô tả các giải thuật thay thế trang FIFO, OPT, LRU?4.
Giải pháp tập làm việc hoạt động như thế nào?5.
11/2/2017 35Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Bài tập 1
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 36
Xét chuỗi truy xuất bộ nhớ sau:
1, 2, 3, 4, 2, 1, 5, 6, 2, 1, 2, 3, 7, 6, 3, 2, 1, 2, 3, 6
Có bao nhiêu lỗi trang xảy ra khi sử dụng các thuật toán 
thay thế sau đây, giả sử có lần lượt là 2, 3, 4, 5 khung 
trang.
LRUa.
FIFOb.
Chiến lược tối ưu (OPT)c.
Bài tập 2
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 37
Một máy tính 32-bit địa chỉ, sử dụng một bảng trang 2 cấp. 
Địa chỉ ảo được phân bổ như sau: 9 bit dành cho bảng 
trang cấp 1, 11 bit cho bảng trang cấp 2, và còn lại cho 
offset. Cho biết kích thước một trang trong hệ thống và địa 
chỉ ảo có bao nhiêu trang
Bài tập 3
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 38
Giả sử địa chỉ ảo 32-bit được phân tách thành 4 trường a, 
b, c, d. 3 trường đầu tiên được dùng cho bảng trang 3 cấp, 
trường thứ 4 dành cho offset. Số lượng trang có phụ thuộc 
vào kích thước của cả 4 trường này không? Nếu không, 
những trường nào ảnh hưởng đến số lượng trang, những 
trường nào không ảnh hưởng?