Sistemas operativos
La
figura 1-1 presenta un esquema general de los componentes principales que aquí
se analizan.
El programa de interfaz de usuario,
shell o GUI, es el nivel más bajo del software en modo usuario y permite la
ejecución de otros programas, como un navegador Web, lector de correo
electrónico o reproductor de música. Estos programas también utilizan en forma
intensiva el sistema operativo.
La ubicación del sistema
operativo se muestra en la figura 1-1. Se ejecuta directamente sobre el
hardware y proporciona la base para las demás aplicaciones de software.
Una distinción importante entre
el sistema operativo y el software que se ejecuta en modo usuario es que, si a
un usuario no le gusta, por ejemplo, su lector de correo electrónico, es libre
de conseguir otro o incluso escribir el propio si así lo desea; sin embargo, no
es libre de escribir su propio manejador de interrupciones de reloj, que forma
parte del sistema operativo y está protegido por el hardware contra cualquier
intento de modificación por parte de los usuarios.
Además, en muchos sistemas hay
programas que se ejecutan en modo de usuario, pero ayudan al sistema operativo o
realizan funciones privilegiadas. Por ejemplo, a menudo hay un programa que permite
a los usuarios cambiar su contraseña. Este programa no forma parte del sistema
operativo y no se ejecuta en modo kernel, pero sin duda lleva a cabo una
función delicada y tiene que protegerse de una manera especial.
Los sistemas operativos difieren
de los programas de usuario (es decir, de aplicación) en varias cuestiones
además del lugar en el que residen. En particular, son enormes, complejos y de
larga duración.
El código fuente de un sistema
operativo como Linux o Windows contiene cerca de cinco millones de líneas de
código. Para tener una idea de lo que esto significa, considere el trabajo de
imprimir cinco millones de líneas en un formato de libro: con 50 líneas por página
y 1000 páginas por volumen, se requerirían 100 volúmenes para listar un sistema
operativo de este tamaño; es decir, todo una biblioteca.
Y ésta sólo sería la parte que se
ejecuta en el kernel. Los programas de usuario como la interfaz gráfica, las bibliotecas
y el software de aplicación básico (como el Explorador de Windows) pueden
abarcar fácilmente de 10 a 20 veces esa cantidad.
En
este punto, el lector debe tener una idea clara de por qué los sistemas
operativos tienen una larga vida: es muy difícil escribir uno y, por lo tanto,
el propietario se resiste a tirarlo y empezar de nuevo. En vez de ello,
evolucionan durante periodos extensos. Windows 95/98/Me es, esencialmente, un
sistema operativo distinto de Windows NT/2000/XP/Vista, su sucesor. Tienen una
apariencia similar para los usuarios, ya que Microsoft se aseguró bien de ello,
sin embargo, tuvo muy buenas razones para deshacerse de Windows 98.
¿QUÉ ES UN SISTEMA OPERATIVO?
Un sistema operativo es un
programa que controla la ejecución de aplicaciones y programas y que actúa como
interfaz entre las aplicaciones y el hardware del computador. Se puede
considerar que un sistema operativo tiene los siguientes tres objetivos:
• Facilidad de uso. Un
sistema operativo facilita el uso de un computador.
• Eficiencia. Un sistema operativo permite que
los recursos de un sistema de computación se puedan utilizar de una manera
eficiente.
• Capacidad para evolucionar. Un
sistema operativo se debe construir de tal forma que se puedan desarrollar,
probar e introducir nuevas funciones en el sistema sin interferir con su
servicio.
Es difícil definir qué es un
sistema operativo aparte de decir que es el software que se ejecuta en modo
kernel (además de que esto no siempre es cierto). Parte del problema es que los
sistemas operativos realizan dos funciones básicas que no están relacionadas:
proporcionar a los programadores de aplicaciones y a los programas de
aplicaciones un conjunto abstracto de recursos simples, en vez de los complejos
conjuntos de hardware; y administrar estos recursos de hardware.
El sistema operativo como una máquina
extendida
La arquitectura
(conjunto de instrucciones, organización de memoria, E/S y estructura de
bus) de la mayoría de las computadoras a nivel de lenguaje máquina es primitiva
y compleja de programar, en especial para la entrada/salida. Para hacer este
punto más concreto, considere la forma en que se lleva a cabo la E/S de disco
flexible a través de un driver o controlador.
Utilizamos
el disco flexible como un ejemplo debido a que, aunque obsoleto, es mucho más
simple que un disco duro moderno. El PD765 tiene 16 comandos, cada uno de los
cuales se especifica mediante la carga de 1 a 9 bytes en un registro de
dispositivo. Estos comandos son para leer y escribir datos, desplazar el brazo
del disco y dar formato a las pistas, así como para inicializar, detectar,
restablecer y recalibrar el dispositivo controlador y las unidades.
Los
comandos más básicos son read y write (lectura y escritura), cada uno de los
cuales requiere 13 parámetros, empaquetados en 9 bytes. Estos parámetros
especifican elementos tales como la dirección del bloque de disco a leer, el
número de sectores por pista, el modo de grabación utilizado en el medio
físico, el espacio de separación entre sectores y lo que se debe hacer con una
marca de dirección de datos eliminados. Si el lector no comprende estos
tecnicismos, no se preocupe: ése es precisamente el punto, pues se trata de
algo bastante oscuro. Cuando la operación se completa, el chip del dispositivo
controlador devuelve 23 campos de estado y error, empaquetados en 7 bytes. Como
si esto no fuera suficiente, el programador del disco flexible también debe
estar constantemente al tanto de si el motor está encendido o apagado. Si el
motor está apagado, debe encenderse (con un retraso largo de arranque) para que
los datos puedan ser leídos o escritos. El motor no se debe dejar demasiado
tiempo encendido porque se desgastará. Por lo tanto, el programador se ve
obligado a lidiar con el problema de elegir entre tener retrasos largos de
arranque o desgastar los discos flexibles (y llegar a perder los datos).
Imágenes en donde se puede apreciar cierto nivel de abstracción
|
Hay que
recalcar que los verdaderos clientes del sistema operativo son los programas de
aplicación (a través de los programadores de aplicaciones, desde luego). Son
los que tratan directamente con el sistema operativo y sus abstracciones. En
contraste, los usuarios finales tienen que lidiar con las abstracciones que
proporciona la interfaz de usuario, ya sea un shell de línea de comandos o una
interfaz gráfica.
El sistema operativo como
administrador de recursos
El
concepto de un sistema operativo cuya función principal es proporcionar
abstracciones a los programas de aplicación responde a una perspectiva de
arriba hacia abajo. La perspectiva alterna, de abajo hacia arriba, sostiene que
el sistema operativo está presente para administrar todas las piezas de un
sistema complejo. Las computadoras modernas constan de procesadores, memorias,
temporizadores, discos, ratones, interfaces de red, impresoras y una amplia
variedad de otros dispositivos.
En la
perspectiva alterna, el trabajo del sistema operativo es proporcionar una
asignación ordenada y controlada de los procesadores, memorias y dispositivos
de E/S, entre los diversos programas que compiten por estos recursos.
La
administración de recursos incluye compartirlos en dos formas distintas: en el
tiempo y en el espacio. Cuando un recurso se multiplexa en el tiempo, los
distintos programas o usuarios toman turnos para utilizarlo: uno de ellos
obtiene acceso al recurso, después otro, y así en lo sucesivo. Por ejemplo, con
sólo una CPU y varios programas que desean ejecutarse en ella, el sistema
operativo primero asigna la CPU a un programa y luego, una vez que se ha
ejecutado por el tiempo suficiente, otro programa obtiene acceso a la CPU,
después otro, y en un momento dado el primer programa vuelve a obtener acceso
al recurso. La tarea de determinar cómo se multiplexa el recurso en el tiempo
(quién sigue y durante cuánto tiempo) es responsabilidad del sistema operativo.
Otro ejemplo de multiplexaje en el tiempo es la compartición de la impresora.
Cuando
hay varios trabajos en una cola de impresión, para imprimirlos en una sola
impresora, se debe tomar una decisión en cuanto a cuál trabajo debe imprimirse
a continuación.
El otro
tipo de multiplexaje es en el espacio. En vez de que los clientes tomen turnos,
cada uno obtiene una parte del recurso. Por ejemplo, normalmente la memoria
principal se divide entre varios programas en ejecución para que cada uno pueda
estar residente al mismo tiempo (por ejemplo, para poder tomar turnos al
utilizar la CPU). Suponiendo que hay suficiente memoria como para contener
varios programas, es más eficiente contener varios programas en memoria a la
vez, en vez de proporcionar a un solo programa toda la memoria, en especial si
sólo necesita una pequeña fracción.
Desde
luego que esto genera problemas de equidad y protección, por ejemplo, y
corresponde al sistema operativo resolverlos. Otro recurso que se multiplexa en
espacio es el disco duro. En muchos sistemas, un solo disco puede contener
archivos de muchos usuarios al mismo tiempo. Asignar espacio en disco y llevar
el registro de quién está utilizando cuáles bloques de disco es una tarea
típica de administración de recursos común del sistema operativo.
Componentes
y funciones del Sistema Operativo
Cuáles son los componentes de un sistema operativo y cómo funcionan nos
da una idea de cómo actúa el sistema operativo.
El sistema operativo es el encargado de que los componentes internos y
los periféricos de un sistema funcionen en conjunto y de la comunicación entre
las aplicaciones de usuario y el hardware.
El sistema operativo y sus componentes funcionan de forma sincronizada
para permitir la adecuada operación y el rendimiento esperado de un sistema de
computación.
Los componentes del sistema operativo de los que estaremos hablando
son: los procesos, la memoria principal, el almacenamiento secundario, el sistema de entrada/salida, el sistema de archivos, los sistemas de protección, el sistema de comunicaciones, los programas del sistema y el gestor de recursos.
Gestión de
procesos
Entre los componentes de un sistema operativo están los procesos.
Cuando se habla de un proceso se hace referencia a un programa en ejecución. Un proceso es un conjunto de instrucciones
que corresponden a un programa y que son ejecutadas por la CPU. En un programa
se pueden ejecutar uno o varios procesos diferentes. La ejecución de un
programa necesita recursos del
sistema como tiempo de CPU, memoria, archivos y dispositivos de
E/S.
Si por ejemplo el usuario ejecuta dos programas consecutivamente, se
creará una determinada cantidad de procesos que se sumarán a los que ya se
están ejecutando para mantener activa nuestra computadora.
Un proceso puede pasar por los estados nuevo, preparado, en ejecución, bloqueado y terminado
cuando su ciclo de vida es de 5 estados. Los procesos para su ejecución se
planifican siguiendo algoritmos. Dos de los algoritmos de planificación más
comunes son el algoritmo Round Robin
y el algoritmo FIFO.
La
gestión de procesos podría ser similar al trabajo de oficina. Se puede tener
una lista de tareas a realizar y a estas fijarles prioridades alta, media, baja
por ejemplo. Debemos comenzar haciendo las tareas de prioridad alta primero y
cuando se terminen seguir con las de prioridad media y después las de baja. Una
vez realizada la tarea se tacha. Esto puede traer un problema que las tareas de
baja prioridad pueden que nunca lleguen a
ejecutarse y permanezcan en la lista para siempre. Para solucionar esto, se
puede asignar alta prioridad a las tareas más antiguas.
Algoritmo
Round Robin: es un algoritmo de planificación de
procesos simple de implementar. Dentro de un sistema operativo se asigna a
cada proceso una porción de tiempo equitativa y ordenada, tratando a todos
los procesos con la misma prioridad. En Sistemas operativos, la
planificación Round-robin da un tiempo máximo de uso de CPU a cada proceso, pasado el cual es desalojado y retornado al estado
de listo, la lista de procesos se planifica por FIFO, del inglés "First In, First Out" (primero en entrar,
primero en salir o primero llegado, primero atendido).
|
Modelo de proceso de cinco estados:
Los
sucesos que pueden dar lugar a una transición de estados en este modelo son
los siguientes:
•
Ninguno a nuevo:
se crea un nuevo proceso para ejecutar un programa
•
Nuevo a
preparado: el sistema está
preparado para aceptar un proceso más porque dispone de recursos para ello.
•
Preparado a ejecución: el sistema elige uno de los procesos en estado
preparado para llevarlo a ejecución.
•
Ejecución a terminado: el proceso que se está ejecutando es finalizado
por el SO si indica que terminó, se abandona o se cancela.
•
Ejecución a preparado: el proceso ha agotado su tiempo de ejecución,
cede voluntariamente su tiempo de ejecución o se interrumpe para atender a
otro de mayor prioridad.
•
Ejecución a bloqueado: el proceso solicita algo por lo que debe
esperar.
•
Bloqueado a preparado: se produce el suceso por el que el proceso
estaba esperando.
•
Preparado a terminado (no aparece en la figura): un padre puede terminar con un proceso hijo en
cualquier momento, o bien, si el padre termina todos sus hijos se pueden
terminar.
•
Bloqueado a terminado: el mismo criterio que el anterior.
|
En la gestión de procesos, es función del
sistema operativo:
- Crear y destruir los
procesos.
- Parar y reanudar los
procesos.
- Planificación de procesos:
decide qué proceso emplea el procesador en cada instante de tiempo.
- Mecanismos de comunicación
entre procesos: permiten comunicar a dos procesos del sistema operativo.
- Mecanismos de
sincronización: permiten coordinar a procesos que realizan accesos
concurrentes a un cierto recurso.
Gestión de la memoria principal
Ante un fallo de energía eléctrica, la
memoria principal es volátil y pierde su contenido. Se podría decir que la memoria
es una gran tabla de palabras o bytes que se referencian cada una mediante una
dirección única. Este almacén de datos de rápido acceso es compartido por la
CPU y los dispositivos de E/S.
La memoria principal se optimiza para asignar
espacio en memoria a los diferentes programas a ejecutar, quienes a partir de
ese momento pasarán a compartir la memoria principal. A su vez, el espacio de
memoria asignado a cada proceso se protege para que no se use estando
concedido.
El SO es el responsable de:
- Conocer qué espacios de la
memoria están siendo utilizadas y por qué procesos.
- Decidir qué procesos se
cargarán en memoria cuando haya espacio disponible.
- Asignar y reclamar espacio
de memoria cuando sea necesario.
- Administrar el intercambio entre la memoria principal y
la memoria virtual (espacio en el disco usado para los procesos cuando la
memoria principal no es suficiente).
Aunque
actualmente una computadora doméstica promedio tiene 10,000 veces más memoria
que la IBM 7094, la computadora más grande en el mundo a principios de la
década de 1960, los programas están creciendo con más rapidez que las memorias.
Parafraseando la ley de Parkinson se diría que “los programas se expanden para
llenar la memoria disponible para contenerlos”. Estudiaremos la forma en que
los sistemas operativos crean abstracciones de la memoria y cómo las
administran.
Lo
que todo programador quisiera es una memoria privada, de tamaño y rapidez
infinitas, que también sea no volátil, es decir, que no pierda su contenido
cuando se desconecta de la potencia eléctrica. Y ya que estamos en ello, ¿por
qué no hacerla barata también? Por desgracia, la tecnología no proporciona
tales memorias en estos momentos.
La
parte del sistema operativo que administra (parte de) la jerarquía de memoria
se conoce como administrador de memoria. Su trabajo es administrar la
memoria con eficiencia: llevar el registro de cuáles partes de la memoria están
en uso, asignar memoria a los procesos cuando la necesiten y desasignarla
cuando terminen.
En
esta unidad investigaremos varios esquemas distintos de administración de
memoria, que varían desde muy simples hasta muy sofisticados. Como generalmente
el hardware es el que se encarga de administrar el nivel más bajo de memoria
caché, en este capítulo nos concentraremos en el modelo del programador de la
memoria principal y en cómo se puede administrar bien. Analizaremos primero los
esquemas más simples posibles y después progresaremos de manera gradual hacia
esquemas cada vez más elaborados.
SIN
ABSTRACCIÓN DE MEMORIA
MOV
REGISTRO1, 1000
Bajo
estas condiciones, no era posible tener dos programas ejecutándose en memoria
al mismo tiempo. Si el primer programa escribía un nuevo valor en, por ejemplo,
la ubicación 2000, esto borraría cualquier valor que el segundo programa
estuviera almacenando ahí. Ambos programas fallarían de inmediato.
Ejecución
de múltiple programas sin una abstracción de memoria
No obstante, aun sin abstracción
de memoria es posible ejecutar varios programas al mismo tiempo. Lo que el
sistema operativo debe hacer es guardar todo el contenido de la memoria en un
archivo en disco, para después traer y ejecutar el siguiente programa. Mientras
sólo haya un programa a la vez en la memoria no hay conflictos.
Con la adición de cierto hardware
especial es posible ejecutar múltiples programas concurrentemente, aun sin
intercambio.
En un sistema
monoprogramado, la memoria se divide en dos partes: una parte para el sistema
operativo y una parte para el programa actualmente en ejecución. En un sistema
multiprogramado, la parte de «usuario» de la memoria se debe subdividir
posteriormente para acomodar múltiples procesos.
Una gestión de la
memoria efectiva es vital en un sistema multiprogramado. Si sólo unos pocos
procesos se encuentran en memoria, entonces durante una gran parte del tiempo
todos los procesos esperarían por operaciones de E/S y el procesador estaría
ocioso. Por tanto, es necesario asignar la memoria para asegurar una cantidad
de procesos listos que consuman el tiempo de procesador disponible.
Se comenzará con una
descripción de los requisitos que la gestión de la memoria pretende satisfacer.
A continuación, se mostrará la tecnología de la gestión de la memoria,
analizando una variedad de esquemas simples que se han utilizado. Nos
enfocaremos en el requisito de que un programa se debe cargar en memoria
principal para ejecutarse. Esta discusión introduce algunos de los principios
fundamentales de la gestión de la memoria.
REQUISITOS DE LA GESTIÓN DE LA MEMORIA
M
|
ientras se analizan varios mecanismos y
políticas asociados con la gestión de la memoria, es útil mantener en mente los
requisitos que la gestión de la memoria debe satisfacer. Se sugieren cinco
requisitos:
•
Reubicación.
•
Protección.
•
Compartición.
•
Organización lógica.
•
Organización física
REUBICACIÓN
En un sistema
multiprogramado, la memoria principal disponible se comparte generalmente entre
varios procesos. Normalmente, no es posible que el programador sepa
anticipadamente qué programas residirán en memoria principal en tiempo de
ejecución de su programa. Adicionalmente, sería bueno poder intercambiar
procesos en la memoria principal para maximizar la utilización del procesador,
proporcionando un gran número de procesos para la ejecución. Una vez que un
programa se ha llevado al disco, sería bastante limitante tener que colocarlo
en la misma región de memoria principal donde se hallaba anteriormente, cuando
éste se trae de nuevo a la memoria. Por el contrario, podría ser necesario
reubicar el proceso a un área de memoria diferente.
Por tanto, no se puede conocer de forma
anticipada dónde se va a colocar un programa y se debe permitir que los
programas se puedan mover en la memoria principal, debido al intercambio o swap. Estos
hechos ponen de manifiesto algunos aspectos técnicos relacionados con el
direccionamiento, como se muestra en la Figura 7.1. La figura representa la
imagen de un proceso. Por razones de simplicidad, se asumirá que la imagen de
un proceso ocupa una región contigua de la memoria principal. Claramente, el
sistema operativo necesitará conocer la ubicación de la información de control
del proceso y de la pila de ejecución, así como el punto de entrada que
utilizará el proceso para iniciar la ejecución. Debido a que el sistema
operativo se encarga de gestionar la memoria y es responsable de traer el
proceso a la memoria principal, estas direcciones son fáciles de adquirir.
Adicionalmente, sin embargo, el procesador debe tratar con referencias de
memoria dentro del propio programa. Las instrucciones de salto contienen una
dirección para referenciar la instrucción que se va a ejecutar a continuación.
Las instrucciones de referencia de los datos contienen la dirección del byte o
palabra de datos referenciados. De alguna forma, el hardware del procesador y
el software del sistema operativo deben poder traducir las referencias de
memoria encontradas en el código del programa en direcciones de memoria
físicas, que reflejan la ubicación actual del programa en la memoria principal.
|
Como
se puede apreciar, el proceso 2 es cargado inicialmente en el siguiente
espacio disponible (c).En un determinado momento, al proceso 2 se lo manda
al disco (swap) por estar a la espera de una operación de entrada-salida
(e).Luego de ocurrida la operación de entrada-salida, el proceso 2 es
reubicado en la memoria, pero esta vez en una posición diferente. (h).
PROTECCIÓN
|
Cada proceso debe
protegerse contra interferencias no deseadas por parte de otros procesos, sean
accidentales o intencionadas. Por tanto, los programas de otros procesos no
deben ser capaces de referenciar sin permiso posiciones de memoria de un proceso,
tanto en modo lectura como escritura. Por un lado, lograr los requisitos de la
reubicación incrementa la dificultad de satisfacer los requisitos de
protección. Más aún, la mayoría de los lenguajes de programación permite el
cálculo dinámico de direcciones en tiempo de ejecución (por ejemplo, calculando
un índice de posición en un vector o un puntero a una estructura de datos). Por
tanto, todas las referencias de memoria generadas por un proceso deben
comprobarse en tiempo de ejecución para poder asegurar que se refieren sólo al
espacio de memoria asignado a dicho proceso. Afortunadamente, se verá que los
mecanismos que dan soporte a la reasignación también dan soporte al requisito
de protección.
Normalmente, un proceso
de usuario no puede acceder a cualquier porción del sistema operativo ni al
código ni a los datos. De nuevo, un programa de un proceso no puede saltar a
una instrucción de otro proceso. Sin un trato especial, un programa de un
proceso no puede acceder al área de datos de otro proceso. El procesador debe
ser capaz de abortar tales instrucciones en el punto de ejecución.
Obsérvese que los
requisitos de protección de memoria deben ser satisfechos por el procesador
(hardware) en lugar del sistema operativo (software). Esto es debido a que el
sistema operativo no puede anticipar todas las referencias de memoria que un
programa hará. Incluso si tal anticipación fuera posible, llevaría demasiado
tiempo calcularlo para cada programa a fin de comprobar la violación de
referencias de la memoria. Por tanto, sólo es posible evaluar la permisibilidad
de una referencia (acceso a datos o salto) en tiempo de ejecución de la
instrucción que realiza dicha referencia. Para llevar a cabo esto, el hardware
del procesador debe tener esta capacidad.
COMPARTICIÓN
Cualquier mecanismo de
protección debe tener la flexibilidad de permitir a varios procesos acceder a
la misma porción de memoria principal. Por ejemplo, si varios programas están
ejecutando el mismo programa, es ventajoso permitir que cada proceso pueda acceder
a la misma copia del programa en lugar de tener su propia copia separada.
Procesos que estén cooperando en la misma tarea podrían necesitar compartir el
acceso a la misma estructura de datos. Por tanto, el sistema de gestión de la
memoria debe permitir el acceso controlado a áreas de memoria compartidas sin
comprometer la protección esencial. De nuevo, se verá que los mecanismos
utilizados para dar soporte a la reubicación soportan también capacidades para
la compartición.
ORGANIZACIÓN LÓGICA
Casi invariablemente,
la memoria principal de un computador se organiza como un espacio de
almacenamiento lineal o unidimensional, compuesto por una secuencia de bytes o
palabras. A nivel físico, la memoria secundaria está organizada de forma
similar, Mientras que esta organización es similar al hardware real de la
máquina, no se corresponde a la forma en la cual los programas se construyen
normalmente. La mayoría de los programas se organizan en módulos, algunos de
los cuales no se pueden modificar (sólo lectura, sólo ejecución) y algunos de
los cuales contienen datos que se pueden modificar. Si el sistema operativo y
el hardware del computador pueden tratar de forma efectiva los programas de
usuarios y los datos en la forma de módulos de algún tipo, entonces se pueden
lograr varias ventajas:
1.
Los módulos se pueden escribir y compilar independientemente, con
todas las referencias de un módulo desde otro resueltas por el sistema en
tiempo de ejecución.
2.
Con una sobrecarga adicional modesta, se puede proporcionar diferentes
grados de protección a los módulos (sólo lectura, sólo ejecución).
3.
Es posible introducir mecanismos por los cuales los módulos se pueden
compartir entre los procesos. La ventaja de proporcionar compartición a nivel
de módulo es que se corresponde con la forma en la que el usuario ve el
problema, y por tanto es fácil para éste especificar la compartición deseada.
La
herramienta que más adecuadamente satisface estos requisitos es la
segmentación, que es una las técnicas de gestión de la memoria exploradas en
este capítulo.
ORGANIZACIÓN FÍSICA
Como se discute en la Sección 1.5, la
memoria del computador se organiza en al menos dos niveles, conocidos como
memoria principal y memoria secundaria. La memoria principal proporciona acceso
rápido a un coste relativamente alto.
Adicionalmente, la memoria principal es volátil; es decir, no proporciona
almacenamiento permanente. La memoria secundaria es más lenta y más barata que
la memoria principal y normalmente no es volátil. Por tanto, la memoria
secundaria de larga capacidad puede proporcionar almacenamiento para programas
y datos a largo plazo, mientras que una memoria principal más pequeña contiene
programas y datos actualmente en uso.
En este esquema de dos niveles, la organización
del flujo de información entre la memoria principal y secundaria supone una de
las preocupaciones principales del sistema. La responsabilidad para este flujo
podría asignarse a cada programador en particular, pero no es practicable o
deseable por dos motivos:
1. La memoria principal disponible para un programa
más sus datos podría ser insuficiente. En este caso, el programador debería
utilizar una técnica conocida como superposición (overlaying), en
la cual los programas y los datos se organizan de tal forma que se puede
asignar la misma región de memoria a varios módulos, con un programa principal
responsable para intercambiar los módulos entre disco y memoria según las necesidades. Incluso
con la ayuda de herramientas de
compilación, la programación con overlays malgasta tiempo del programador.
2. En un entorno multiprogramado, el programador no
conoce en tiempo de codificación cuánto espacio estará disponible o dónde se
localizará dicho espacio.
Por tanto, está claro que la tarea de
mover la información entre los dos niveles de la memoria debería ser una
responsabilidad del sistema. Esta tarea es la esencia de la gestión de la
memoria.
PARTICIONAMIENTO DE LA MEMORIA
La operación principal de la gestión de la memoria es traer los
procesos a la memoria principal para que el procesador los pueda ejecutar. En
casi todos los sistemas multiprogramados modernos, esto implica el uso de un
esquema sofisticado denominado memoria virtual. Por su parte, la memoria
virtual se basa en una o ambas de las siguientes técnicas básicas: segmentación
y paginación. Antes de fijarse en estas técnicas de memoria virtual, se debe
preparar el camino, analizando técnicas más sencillas que no utilizan memoria
virtual (Tabla 7.1). Una de estas técnicas, el particionamiento, se ha
utilizado en algunas variantes de ciertos sistemas operativos ahora obsoletos.
Las otras dos técnicas, paginación sencilla y segmentación sencilla, no son
utilizadas de forma aislada. Sin embargo, quedará más clara la discusión de la
memoria virtual si se analizan primero estas dos técnicas sin tener en cuenta
consideraciones de memoria virtual.
PARTICIONAMIENTO FIJO
En la mayoría de los esquemas para gestión de la memoria, se puede
asumir que el S.O. ocupa alguna porción fija de la memoria principal y que el
resto de la memoria principal está disponible para múltiples procesos. El
esquema más simple para gestionar la memoria disponible es repartirla en
regiones con límites fijos.
Tamaños de partición
La Figura 7.2 muestra ejemplos de dos alternativas para el
particionamiento fijo. Una posibilidad consiste en hacer uso de particiones del
mismo tamaño. En este caso, cualquier proceso cuyo tamaño es menor o igual que
el tamaño de partición puede cargarse en cualquier partición disponible. Si
todas las particiones están llenas y no hay ningún proceso en estado Listo o
Ejecutando, el sistema operativo puede mandar a swap a un proceso de cualquiera de las
particiones y cargar otro proceso, de forma que el procesador tenga trabajo que
realizar.
Existen dos dificultades con el uso de las particiones fijas del mismo
tamaño:
•
Un programa podría ser
demasiado grande para caber en una partición. En este caso, el programador debe
diseñar el programa con el uso de overlays, de forma que sólo se necesite una porción
del programa en memoria principal en un momento determinado. Cuando se necesita
un módulo que no está presente, el programa de usuario debe cargar dicho módulo
en la partición del programa, superponiéndolo (overlaying) a cualquier programa o datos que haya
allí.
•
La utilización de la
memoria principal es extremadamente ineficiente. Cualquier programa, sin
importar lo pequeño que sea, ocupa una partición entera. En el ejemplo, podría
haber un programa cuya longitud es menor que 2 Mbytes; ocuparía una partición
de 8 Mbytes cuando se lleva a la memoria. Este fenómeno, en el cual hay espacio
interno malgastado debido al hecho de que el bloque de datos cargado es menor
que la partición, se conoce con el nombre de fragmentación interna.
Ambos problemas se pueden mejorar, aunque no resolver, utilizando
particiones de tamaño diferente (Figura 7.2b). En este ejemplo, los programas
de 16 Mbytes se pueden acomodar sin overlays. Las particiones más pequeñas de 8 Mbytes
permiten que los programas más pequeños se puedan acomodar sin menor
fragmentación interna.
Tabla 7.1.Técnicas de gestión de memoria.
Técnicas
|
Descripción
|
Virtudes
|
Defectos
|
Particionamiento
fijo
|
La memoria principal se divide en
particiones estáticas en tiempo de generación del sistema. Un proceso se
puede cargar en una partición con igual o superior tamaño.
|
Sencilla de implementar; poca
sobrecarga para el sistema operativo.
|
Uso
ineficiente de la memoria, debido a la fragmentación interna; debe fijarse el
número máximo de procesos activos.
|
Particionamiento
dinámico
|
Las particiones se crean de forma
dinámica, de tal forma que cada proceso se carga en una partición del mismo
tamaño que el proceso.
|
No
existe fragmentación interna; uso más eficiente de memoria principal.
|
Uso
ineficiente del procesador, debido a la necesidad de compactación para evitar
la fragmentación externa.
|
Paginación
sencilla
|
La memoria principal se divide en
marcos del mismo tamaño. Cada proceso se divide en páginas del mismo tamaño
que los marcos. Un proceso se carga a través de la carga de todas sus páginas
en marcos disponibles, no necesariamente contiguos.
|
No
existe fragmentación externa.
|
Una
pequeña cantidad de fragmentación interna.
|
Segmentación
sencilla
|
Cada
proceso se divide en segmentos. Un proceso se carga cargando todos sus
segmentos en particiones dinámicas, no necesariamente contiguas.
|
No
existe fragmentación interna; mejora la utilización de la memoria yreduce
la sobrecargada respecto al particionamiento dinámico.
|
Fragmentación externa.
|
Paginación
con memoria virtual
|
Exactamente
igual que la paginación sencilla, excepto que no es necesario cargar todas
las páginas de un proceso. Las páginas no residentes se traen bajo demanda de
forma automática.
|
No existe fragmentación externa; mayor grado de multiprogramación;
gran espacio de direcciones virtuales.
|
Sobrecarga por la gestión compleja de
la memoria.
|
Segmentación
con memoria virtual
|
Exactamente
igual que la segmentación, excepto que no es necesario cargar todos los
segmentos de un proceso. Los segmentos no residentes se traen bajo demanda de
forma automática.
|
No
existe fragmentación interna; mayor grado de multiprogramación; gran espacio
de direcciones virtuales; soporte a protección y compartición.
|
Sobrecarga
por la gestión compleja de la memoria.
|
Algoritmo de ubicación
Con particiones del mismo tamaño, la ubicación de los procesos en
memoria es trivial. En cuanto haya una partición disponible, un proceso se
carga en dicha partición. Debido a que todas las particiones son del mismo
tamaño, no importa qué partición se utiliza. Si todas las particiones se
encuentran ocupadas por procesos que no están listos para ejecutar, entonces
uno de dichos procesos debe llevarse a disco para dejar espacio para un nuevo
proceso. Cuál de los procesos se lleva a disco es una decisión de planificación.
Con particiones de diferente tamaño, hay
dos formas posibles de asignar los procesos a las particiones. La forma más
sencilla consiste en asignar cada proceso a la partición más pequeña dentro de
la cual cabe. En este caso, se necesita una cola de planificación para cada
partición, que mantenga procesos en disco destinados a dicha partición (Figura
7.3a). La ventaja de esta técnica es que los procesos siempre se asignan de tal
forma que se minimiza la memoria malgastada dentro de una partición (fragmentación
interna).
Aunque esta técnica parece óptima desde el punto de vista de una
partición individual, no es óptima desde el punto de vista del sistema
completo. En la Figura 7.2b, por ejemplo, se considera un caso en el que no
haya procesos con un tamaño entre 12 y 16M en un determinado instante de
tiempo. En este caso, la partición de 16M quedará sin utilizarse, incluso
aunque se puede asignar dicha partición a algunos procesos más pequeños. Por
tanto, una técnica óptima sería emplear una única cola para todos los procesos
(Figura 7.3b). En el momento de cargar un proceso en la memoria principal, se
selecciona la partición más pequeña disponible que puede albergar dicho
proceso. Si todas las particiones están ocupadas, se debe llevar a cabo una decisión
para enviar a swap a algún proceso. Tiene
preferencia a la hora de ser expulsado a disco el proceso que ocupe la
partición más pequeña que pueda albergar al proceso entrante. Es también
posible considerar otros factores, como la prioridad o una preferencia por
expulsar a disco procesos bloqueados frente a procesos listos.
El uso de particiones de distinto tamaño proporciona un grado de
flexibilidad frente a las particiones fijas. Adicionalmente, se puede decir que
los esquemas de particiones fijas son relativamente sencillos y requieren un
soporte mínimo por parte del sistema operativo y una sobrecarga de procesa
miento mínimo. Sin embargo, tiene una serie de desventajas:
•
El número de
particiones especificadas en tiempo de generación del sistema limita el número
de proceso activos (no suspendidos) del sistema.
•
Debido a que los
tamaños de las particiones son preestablecidos en tiempo de generación de
sistema, los trabajos pequeños no utilizan el espacio de las particiones
eficientemente. En entorno donde el requisito de almacenamiento principal de
todos los trabajos se conoce de antemano, esta técnica puede ser razonable,
pero en la mayoría de los casos, se trata de una técnica ineficiente.
El uso de particionamiento fijo es casi
desconocido hoy en día.
PARTICIONAMIENTO DINÁMICO
Para vencer algunas de las dificultades con particionamiento fijo, se desarrolló una técnica conocida como particionamiento dinámico. De nuevo, esta técnica se ha sustituido por técnicas de gestión de memoria más sofisticadas.
Con particionamiento dinámico, las
particiones son de longitud y número variable. Cuando se lleva un proceso a la
memoria principal, se le asigna exactamente tanta memoria como requiera y no
más. Un ejemplo, que utiliza 64 Mbytes de memoria principal, se muestra en la
Figura 7.4. Inicialmente, la memoria principal está vacía, excepto por el
sistema operativo (a). Los primeros tres procesos se cargan justo donde el
sistema operativo finaliza y ocupando el espacio justo para cada proceso (b, c,
d). Esto deja un «hueco» al final de la memoria que es demasiado pequeño para
un cuarto proceso. En algún momento, ninguno de los procesos que se encuentran
en memoria está disponible. El sistema operativo lleva el proceso 2 al disco
(e), que deja suficiente espacio para cargar un nuevo proceso, el proceso 4(f).
Debido a que el proceso 4 es más pequeño que el proceso 2, se crea otro pequeño
hueco. Posteriormente, se alcanza un punto en el cual ninguno de los procesos
de la memoria principal está listo, pero el proceso 2, en estado
Listo-Suspendido, está disponible. Porque no hay espacio suficiente en la memoria para el proceso2, el sistema operativo lleva
a disco el proceso1(g) y lleva a la memoria el proceso2(h).
Como muestra este ejemplo, el método
comienza correctamente, pero finalmente lleva a una situación en la cual
existen muchos huecos pequeños en la memoria. A medida
que pasa el tiempo, la memoria se fragmenta cada vez más y la utilización de la
memoria se decrementa. Este fenómeno se conoce como fragmentación externa,
indicando que la memoria que es externa a todas las particiones se fragmenta de
forma incremental, por contraposición a lo que ocurre con la fragmentación
interna, descrita anteriormente.
Algoritmo de ubicación
Debido a que la compactación de memoria consume una gran cantidad de
tiempo, el diseñador del sistema operativo debe ser inteligente a la hora de
decidir cómo asignar la memoria a los procesos (cómo eliminar los huecos). A la
hora de cargar o intercambiar un proceso a la memoria principal, y siempre que
haya más de un bloque de memoria libre de suficiente tamaño, el sistema
operativo debe decidir qué bloque libre asignar.
Tres algoritmos de colocación que pueden considerarse son mejor-ajuste
(best-fit), primer-ajuste(first-fit)
y siguiente-ajuste (next-fit). Todos,
por supuesto, están limitados a escoger entre los bloques libres de la memoria
principal que son iguales o más grandes que el proceso que va a llevarse a la
memoria. Mejor-ajuste
escoge el bloque más
cercano en tamaño a la petición. Primer-ajuste comienza a analizar la memoria desde el principio y escoge el primer
bloque disponible que sea suficientemente grande. Siguiente-ajuste comienza a analizar la memoria desde la última colocación y elige el
siguiente bloque disponible que sea suficientemente grande.
La Figura
7.5a muestra un ejemplo de configuración de memoria después de un número de
colocaciones e intercambios a disco. El último bloque que se utilizó fue un
bloque de 22 Mbytes del cual se crea una partición de 14 Mbytes. La Figura 7.5b
muestra la diferencia entre los algoritmos de mejor-, primer- y siguiente-
ajuste a la hora de satisfacer una petición de asignación de 16 Mbytes. Mejor-ajuste
busca la lista completa de bloques disponibles y hace uso del bloque de 18
Mbytes, dejando un fragmento de 2 Mbytes. Primer-ajuste provoca un fragmento de 6 Mbytes, y siguiente-ajuste provoca un fragmento de 20 Mbytes.
Cuál de estas técnicas
es mejor depende de la secuencia exacta de intercambio de procesos y del tamaño
de dichos procesos. Sin embargo, se pueden hacer algunos comentarios. El
algoritmo primer-ajuste no es sólo el más sencillo, sino que normalmente es
también el mejor y más rápido. El algoritmo siguiente-ajuste tiende a producir
resultados ligeramente peores que el primer-ajuste. El algoritmo
siguiente-ajuste llevará más frecuentemente a una asignación de un bloque libre
al final de la memoria. El resultado es que el bloque más grande de memoria
libre, que normalmente aparece al final del espacio de la memoria, se divide
rápidamente en pequeños fragmentos. Por tanto, en el caso del algoritmo
siguiente-ajuste se puede requerir más frecuentemente la compactación. Por otro
lado, el algoritmo primer-ajuste puede dejar el final del espacio de
almacenamiento con pequeñas particiones libres que necesitan buscarse en cada
paso del primer-ajuste siguiente. El algoritmo mejor-ajuste, a pesar de su
nombre, su comportamiento normalmente es el peor. Debido a que el algoritmo
busca el bloque más pequeño que satisfaga la petición, garantiza que el
fragmento que quede sea lo más pequeño posible. Aunque cada petición de memoria
siempre malgasta la cantidad más pequeña de la memoria, el resultado es que la memoria
principal se queda rápidamente con bloques demasiado pequeños para satisfacer
las peticiones de asignación de la memoria. Por tanto, la compactación de la
memoria se debe realizar más frecuentemente que con el resto de los algoritmos.
En un sistema multiprogramado que utiliza particionamiento dinámico,
puede haber un momento en el que todos los procesos de la memoria principal
estén en estado bloqueado y no haya suficiente memoria para un proceso
adicional, incluso después de llevar a cabo una compactación. Para evitar
malgastar tiempo de procesador esperando a que un proceso se desbloquee, el
sistema operativo intercambiará alguno de los procesos entre la memoria
principal y disco para hacer sitio a un nuevo proceso o para un proceso que se
encuentre en estado Listo-Suspendido. Por tanto, el sistema operativo debe
escoger qué proceso reemplazar.
SISTEMA BUDDY
Ambos esquemas de particionamiento, fijo y dinámico, tienen
desventajas. Un esquema de particionamiento fijo limita el número de procesos
activos y puede utilizar el espacio ineficientemente si existe un mal ajuste
entre los tamaños de partición disponibles y los tamaños de los procesos. Un
esquema de particionamiento dinámico es más complejo de mantener e incluye la
sobrecarga de la compactación. Un compromiso interesante es el sistema buddy.
En un sistema buddy, los
bloques de memoria disponibles son de tamaño 2k, L < K < U,
donde
2L= bloque
de tamaño más pequeño asignado
2U= bloque
de tamaño mayor asignado; normalmente 2Ues el tamaño
de la memoria completa disponible
Para comenzar, el
espacio completo disponible se trata como un único bloque de tamaño 2U. Si se realiza una petición de tamaño s, tal que 2U-1<s <2U,
se asigna el bloque
entero. En otro caso, el bloque se divide en dos bloques buddy iguales
de tamaño 2U-1.
Si 2U-2<s ≤ 2U-1,
entonces se asigna la
petición a uno de los otros dos bloques. En otro caso, uno de ellos se divide
por la mitad de nuevo. Este proceso continúa hasta que el bloque más pequeño
mayor o igual que s se genera y se asigna a la petición. En cualquier momento, el sistema buddy mantiene
una lista de huecos (bloques sin asignar) de cada tamaño 2i. Un hueco puede eliminarse de la lista (i+l) dividiéndolo por la
mitad para crear dos bloques de tamaño 2i en la lista i. Siempre que
un par de bloques de la lista i no se
encuentren asignados, son eliminados de dicha lista y unidos en un único bloque
de la lista (i+l).
La Figura 7.6 muestra
un ejemplo que utiliza un bloque inicial de 1 Mbyte. La primera petición, A, es
de 100 Kbytes, de tal forma que se necesita un bloque de 128K. El bloque
inicial se divide en dos de 512K. El primero de éstos se divide en dos bloques
de 256K, y el primero de éstos se divide en dos de 128K, uno de los cuales se
asigna a A. La siguiente petición, B, solicita un bloque de 256K. Dicho bloque
está disponible y es asignado. El proceso continúa, provocando divisiones y
fusiones de bloques cuando se requiere. Obsérvese que cuando se libera E, se
unen dos bloques de 128K en un bloque de 256K, que es inmediatamente unido con
su bloque compañero (buddy).
La Figura 7.7 muestra
una representación en forma de árbol binario de la asignación de bloques
inmediatamente después de la petición «Liberar B». Los nodos hoja representan
el particionamiento de la memoria actual. Si dos bloques son nodos hoja,
entonces al menos uno de ellos debe estar asignado; en otro caso, se unen en un
bloque mayor.
El
sistema buddy es un compromiso razonable para eliminar las desventajas de ambos
esquemas de particionamiento, fijo y variable, pero en los sistemas operativos
contemporáneos, la memoria virtual basada en paginación y segmentación es
superior. Sin embargo, el sistema buddy se ha
utilizado en sistemas paralelos como una forma eficiente de asignar y liberar
programas paralelos.
REUBICACIÓN
Antes de considerar formas de tratar los problemas del
particionamiento, se va a aclarar un aspecto relacionado con la colocación de
los procesos en la memoria. Cuando se utiliza el esquema de particionamiento
fijo de la Figura 7.3a, se espera que un proceso siempre se asigne a la misma
partición.
Es decir, sea cual sea la partición
seleccionada cuando se carga un nuevo proceso, ésta será la utilizada para el
intercambio del proceso entre la memoria y el área de swap en disco.
Cuando el proceso se carga por primera vez, todas las referencias de la memoria relativas del código
se reemplazan por direcciones de la memoria principal absolutas, determinadas
por la dirección base del proceso cargado.
En el caso de
particiones de igual tamaño (Figura 7.2), y en el caso de una única cola de
procesos para particiones de distinto tamaño (Figura 7.3b), un proceso puede
ocupar diferentes particiones durante el transcurso de su ciclo de vida. Cuando
la imagen de un proceso se crea por primera vez, se carga en la misma partición
de memoria principal. Más adelante, el proceso podría llevarse a disco; cuando
se trae a la memoria principal posteriormente, podría
asignarse a una partición distinta de la última vez. Lo mismo ocurre en el caso
del particionamiento dinámico. Obsérvese en las Figuras 7.4c y h que el proceso
2 ocupa dos regiones diferentes de memoria en las dos ocasiones que se trae a
la memoria. Más aún, cuando se utiliza la compactación, los procesos se
desplazan mientras están en la memoria principal. Por tanto, las ubicaciones
(de las instrucciones y los datos) referenciadas por un proceso no son fijas.
Cambiarán cada vez que un proceso se intercambia o se desplaza. Para resolver
este problema, se realiza una distinción entre varios tipos de direcciones. Una
dirección lógica es una referencia a
una ubicación de memoria independiente de la asignación actual de datos a la
memoria; se debe llevar a cabo una traducción a una dirección física antes de
que se alcance el acceso a la memoria. Una dirección
relativa es un ejemplo particular de dirección lógica, en el que la
dirección se expresa como una ubicación relativa a algún punto conocido,
normalmente un valor en un registro del procesador. Una dirección física, o dirección absoluta, es una ubicación real de la
memoria principal.
Los programas que
emplean direcciones relativas de memoria se cargan utilizando carga dinámica en
tiempo de ejecución. Normalmente, todas las referencias de memoria de los
procesos cargados son relativas al origen del programa. Por tanto, se necesita
un mecanismo hardware para traducir las direcciones relativas a direcciones
físicas de la memoria principal, en tiempo de ejecución de la instrucción que
contiene dicha referencia.
La Figura 7.8 muestra
la forma en la que se realiza normalmente esta traducción de direcciones.
Cuando un proceso se asigna al estado Ejecutando, un registro especial del
procesador, algunas veces llamado registro base, carga la dirección inicial del
programa en la memoria principal. Existe también un registro «valla», que
indica el final de la ubicación del programa; estos valores se establecen
cuando el programa se carga en la memoria o cuando la imagen del proceso se
lleva a la memoria. A lo largo de la ejecución del proceso, se encuentran
direcciones relativas. Éstas incluyen los contenidos del registro de las instrucciones,
las direcciones de instrucciones que ocurren en los saltos e instrucciones call, y
direcciones de datos existentes en instrucciones de carga y almacenamiento. El
procesador manipula cada dirección relativa, a través de dos pasos. Primero, el
valor del registro base se suma a la dirección relativa para producir una
dirección absoluta. Segundo, la dirección resultante se compara con el valor
del registro «valla». Si la dirección se encuentra dentro de los límites,
entonces se puede llevar a cabo la ejecución de la instrucción. En otro caso,
se genera una interrupción, que debe manejar el sistema operativo de algún
modo.
El esquema de la Figura
7.8 permite que se traigan a memoria los programas y que se lleven a disco, a
lo largo de la ejecución. También proporciona una medida de protección: cada
imagen del proceso está aislada mediante los contenidos de los registros base y
valla. Además, evita accesos no autorizados por parte de otros procesos.
73. PAGINACIÓN
Tanto las
particiones de tamaño fijo como variable son ineficientes en el uso de la
memoria; los primeros provocan fragmentación interna, los últimos fragmentación
externa. Supóngase, sin embargo, que la memoria principal se divide en
porciones de tamaño fijo relativamente pequeños, y que cada proceso también se
divide en porciones pequeñas del mismo tamaño fijo. A dichas porciones del
proceso, conocidas como páginas, se les asigna porciones
disponibles de memoria, conocidas como marcos, o marcos de páginas.
Esta sección muestra que el espacio de memoria malgastado por cada
proceso debido a la fragmentación interna corresponde sólo a una fracción de la
última página de un proceso. No existe fragmentación externa.
La Figura 7.9 ilustra el uso de páginas y
marcos. En un momento dado, algunos de los marcos de la memoria están
en uso y algunos están libres. El sistema operativo mantiene una lista de
marcos libres. El proceso A, almacenado en disco, está formado por cuatro
páginas. En el momento de cargar este proceso, el sistema operativo encuentra
cuatro marcos libres y carga las cuatro páginas del proceso A en dichos marcos
(Figura 7.9b). El proceso B, formado por tres páginas, y el proceso C, formado
por cuatro páginas, se cargan a continuación. En ese momento, el proceso B se
suspende y deja la memoria principal. Posteriormente, todos los procesos de la
memoria principal se bloquean, y el sistema operativo necesita traer un nuevo
proceso, el proceso D, que está formado por cinco páginas.
Ahora supóngase, como en este ejemplo, que no hay suficientes marcos
contiguos sin utilizar para ubicar un proceso. ¿Esto evitaría que el sistema
operativo cargara el proceso D? La respuesta es no, porque una vez más se puede
utilizar el concepto de dirección lógica. Un registro base sencillo de
direcciones no basta en esta ocasión. En su lugar, el sistema operativo
mantiene una tabla de páginas por cada proceso. La tabla de páginas muestra la
ubicación del marco por cada página del proceso. Dentro del programa, cada
dirección lógica está formada por un número de página y un desplazamiento
dentro de la página. Es importante recordar que en el caso de una partición
simple, una dirección lógica es la ubicación de una palabra relativa al comienzo
del programa; el procesador la traduce en una dirección física. Con paginación,
la traducción de direcciones lógicas a físicas las realiza también el hardware
del procesador. Ahora el procesador debe conocer cómo acceder a la tabla de
páginas del proceso actual. Presentado como una dirección lógica (número de
página, desplazamiento), el procesador utiliza la tabla de páginas para
producir una dirección física (número de marco, desplazamiento).
Continuando con nuestro ejemplo, las cinco páginas del proceso D se
cargan en los marcos 4, 5, 6, 11 y 12. La Figura 7.10 muestra las diferentes
tablas de páginas en este momento. Una tabla de páginas contiene una entrada
por cada página del proceso, de forma que la tabla se indexe fácilmente por el
número de página (iniciando en la página 0). Cada entrada de la tabla de
páginas contiene el número del marco en la memoria principal, si existe, que
contiene la página correspondiente, Adicionalmente, el sistema operativo
mantiene una única lista de marcos libres de todos los marcos de la memoria que
se encuentran actualmente no ocupados y disponibles para las páginas.
Por tanto vemos que la
paginación simple, tal y como se describe aquí, es similar al particionamiento
fijo. Las diferencias son que, con la paginación, las particiones son bastante
pequeñas; un programa podría ocupar más de una partición; y dichas particiones
no necesitan ser contiguas.
Para hacer este esquema
de paginación conveniente, el tamaño de página y por tanto el tamaño del marco
debe ser una potencia de 2. Con el uso de un tamaño de página potencia de 2, es
fácil demostrar que la dirección relativa, que se define con referencia al
origen del programa, y la dirección lógica, expresada como un número de página
y un desplazamiento, es lo mismo. Se muestra un ejemplo en la Figura 7.11. En
este ejemplo, se utilizan direcciones de 16 bits, y el tamaño de la página es
1K = 1024 bytes. La dirección relativa 1502, en formato binario, es 0000010111011110.
Con una página de tamaño 1K, se necesita un campo de desplazamiento de 10 bits,
dejando 6 bits para el número de página. Por tanto, un programa puede estar
compuesto por un máximo de 26=64 páginas de 1Kbyte cada una. Como
muestra la Figura 7.11, la dirección relativa 1502 corresponde a un
desplazamiento de 478 (0111011110) en la página 1 (000001), que forma el mismo
número de 16 bits, 0000010111011110.
Las consecuencias de
utilizar un tamaño de página que es una potencia de 2 son dobles. Primero, el
esquema de direccionamiento lógico es transparente al programador, al
ensamblador y al montador. Cada dirección lógica (número de página,
desplazamiento) de un programa es idéntica a su dirección relativa. Segundo, es
relativamente sencillo implementar una función que ejecute el hardware para
llevar a cabo dinámicamente la traducción de direcciones en tiempo de
ejecución. Considérese una dirección de n+mbits,
donde los n bits de la izquierda corresponden al número de página y los m bits de
la derecha corresponden al desplazamiento. En el ejemplo (Figura 7.11b), n = 6 y m = 10. Se
necesita llevar a cabo los siguientes pasos para la traducción de direcciones:
•
Extraer el número de página como los n bits de
la izquierda de la dirección lógica.
•
Utilizar el número de página como un índice a tabla de páginas del
proceso para encontrar el número de marco, k.
•
La dirección física inicial del marco es k x 2m, y la dirección física del byte referenciado es dicho número más el
desplazamiento. Esta dirección física no necesita calcularse; es fácilmente
construida concatenando el número de marco al desplazamiento.
En el
ejemplo, se parte de la dirección lógica 0000010111011110, que corresponde a la
página número 1, desplazamiento 478. Supóngase que esta página reside en el
marco de memoria principal 6 = número binario 000110. Por tanto, la dirección
física corresponde al marco número 6, desplazamiento 478 = 0001100111011110
(Figura 7.12a).
Resumiendo, con la
paginación simple, la memoria principal se divide en muchos marcos pequeños de
igual tamaño. Cada proceso se divide en páginas de igual tamaño; los procesos
más pequeños requieren menos páginas, los procesos mayores requieren más.
Cuando un proceso se trae a la memoria, todas sus páginas se cargan en los marcos disponibles, y se establece
una tabla de páginas. Esta técnica resuelve muchos de los problemas inherentes
en el particionamiento.
Descargar Presentación de Powerpoint: Sistemas Operativos I
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