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第12回オペレーティングシステム
- 1. (C)2021 TOMISAWA Masaki 第12回 オペレーティングシステム 前回の内容 ■ 第7章 主記憶管理：基礎 ‣ 7.2 下限レジスタ機構 ‣ 7.3 ロック/キー機構 ■ 第8章 主記憶管理：領域割り当て ‣ 8.2 プログラムのロードと領域の再配置 ‣ 8.3 オーバーレイ ■ 第9章 主記憶管理：ページング ‣ 9.1 主記憶の動的再配置 ‣ 9.2 ページング ‣ 9.3 ページングの問題点と解決策 今回の内容 ‣ 9.3 ページングの問題点と解決策 - 9.3.1 ハッシュ関数によるページテーブル - 9.3.2 連想レジスタ方式 ■ 第10章 主記憶管理：セグメンテーション ‣ 10.1 セグメンテーション ‣ 10.2 ページ化セグメンテーション ‣ 10.3 多重レベルページング ‣ 10.4 0レベルページング
- 2. ページングの問題点 ■ ページテーブルの大きさ ■ メモリアクセスの増大 ペー ジ番 仮想空間 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 F 6 G 7 H ページ フレー 主記憶 0 D 1 A 2 F 3 E ページテーブル V ページフレ ーム番号 P C 0 1 1 1 0 2 0 3 1 0 4 1 3 5 1 2 6 0 7 0 内部断片化 仮想アドレス 0 100 ページ番号 ページ内オフセット 物理アドレス 1 100 ページフレーム番号 ページ内オフセット V 存在ビット P アクセス制御 C 変更ビット 主記憶 物理アドレス 10010110 ページングをソフトウェアで実装すると， 遅くて実用的でない． →ハードウェア支援 復習
- 3. ページングの問題点 ■ ページテーブルは大きいデータ ‣ 仮想アドレス32ビット ‣ ページサイズ 8KB（13ビット） ‣ ページ数 512K個（19ビット） ‣ ページテーブルの1エントリー - 19ビット＋フラグ類などで合計10Bと する ‣ 大きさ 512KB 10B＝5120KB ‣ プロセス数100だとすると - ページテーブルの大きさ＝512000KB ページテーブルの大きさ＝512MB ■ メモリアクセスの増大 ‣ 各種メモリ/ストレージのアクセス時間 ■ ページングのアクセス ‣ L1からL3キャッシュは効かない ‣ ページテーブルを使いページ番号からペー ジフレーム番号を求める（100ナノ秒） ‣ 主記憶にアクセス（100ナノ秒） ■ ページングを使わなければ ‣ L1からL3キャッシュ（4∼10ナノ秒） ‣ ヒットしなければ主記憶（100ナノ秒）
- 4. ■ ページテーブルは大きいデータ ‣ハッシュ関数によるページテーブル - データ構造とアルゴリズムの範疇 ‣ 多段ページング（p.108，10.3） ■ メモリアクセスの増大 ‣ ページテーブルをキャッシュする - 連想レジスタ方式 TLB - MMUに含まれる ページングの問題点と解決策
- 5. ページテーブルはプロセスの数だけある ページ番 号 仮想空間 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 F 6 G 7 H ページテーブル V ページ番号 P C 01 1 10 20 31 0 40 50 60 70 ページ番 号 仮想空間 0 ア 1 イ 2 ウ 3 エ 4 オ 5 カ ページテーブル V ページ番号 P C 01 2 10 20 31 3 40 50 ページフレ ーム番号 実空間 0 D 1 A 2 ア 3 エ プロセスA プロセスB
- 6. ハッシュ関数によるページングテーブル ページテーブル V ページフレーム P C 0 1 2 mー1 p ω PID h(p, プロセスID) [0, n-1] [0, m-1] 主記憶 ページフレーム番号 0 1 2 mー1 ページテーブル Vページフレーム PC 01 10 20 31 41 51 60 70 主記憶 ページフレーム番号 0 1 2 mー1 ページテーブル Vページフレーム PC 01 10 20 31 41 51 60 70 ページテーブル Vページフレーム PC 01 10 20 31 41 51 60 70 ページテーブルは多くても， 主記憶のページフレーム数は 決まっている． 主記憶のページフレーム数と等しい大 きさのページテーブルがあれば良い． mー1本を超えることはない
- 7. ■ ページテーブルは大きいデータ ‣ ハッシュ関数によるページテーブル - データ構造とアルゴリズムの範疇 ‣ 多段ページング（p.108，10.3） ■ メモリアクセスの増大 ‣ページテーブルをキャッシュする - 連想レジスタ方式 TLB - MMUに含まれる ページングの問題点と解決策
- 8. ページテーブルをキャッシュする CPU 主記憶 ページテーブル V ページフレーム番号 P C 0 1 1 1 0 2 0 3 1 0 4 1 3 5 1 2 6 0 7 0 CPU 主記憶 ページテーブル V ページフレーム番号 P C 0 1 1 1 0 2 0 3 1 0 4 1 3 5 1 2 6 0 7 0 キャッシュ 0 1 1 3 1 0 4 1 3 5 1 2
- 9. TLB Table Lookaside Bu ff er CPU 主記憶 ページテーブル V ページフレーム番号 P C 0 1 1 1 0 2 0 3 1 0 4 1 3 5 1 2 6 0 7 0 CPU 主記憶 ページテーブル V ページフレーム番号 P C 0 1 1 1 0 2 0 3 1 0 4 1 3 5 1 2 6 0 7 0 MMU
- 10. (C)2021 TOMISAWA Masaki 補足 ■ 教科書では連想レジスタ（TLB Table Lookaside Bu ff er）と表記されている． ■ 一般的には，「連想」に該当する英語は associative である． ■ TLBの動作は，連想レジスタの考え方が同じなので，TLBを連想レジスタをいっている． ■ 最近のプログラミング言語（Python，Ruby，AWK）では，連想配列が使える． ■ Pythonでは連想配列を辞書という． population = {'東京':900, '横浜':370, '大阪':250, '名古屋':230, '福岡':150} print(population['東京']) 900 配列の添字が数値でなくて，文字列である．
- 11. 連想レジスタ CPU 主記憶 ページテーブル V ページフレーム番号 P C 0 1 1 1 0 2 0 3 1 0 4 1 3 5 1 2 6 0 7 0 CPU 主記憶 ページテーブル V ページフレーム番号 P C 0 1 1 1 0 2 0 3 1 0 4 1 3 5 1 2 6 0 7 0 キャッシュ ページ番号 フレーム番号 0 1 3 0 4 3 5 2 0 100 1 100
- 13. 多段ページング
- 14. ページ化とページテーブル プログラム データ ページ番 号 仮想空間 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 F 6 G 7 H ページフレ ーム番号 実空間 0 D 1 A 2 F 3 E ページテーブル V ページ番号 P C 01 1 10 20 31 0 41 3 51 2 60 70 内部断片化 仮想アドレス 0 100 ページ番号 ページ内オフセット 実アドレス 1 100 ページフレーム番号 ページ内オフセット V 存在ビット P アクセス制御 C 変更ビット 再掲
- 15. ページ化とページテーブル プログラム データ ページ番 号 仮想空間 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 F 6 G 7 H ページフレ ーム番号 実空間 0 D 1 A 2 F 3 E ページテーブル V ページ番号 P C 01 1 10 20 31 0 41 3 51 2 60 70 内部断片化 仮想アドレス 0 100 ページ番号 ページ内オフセット 実アドレス 1 100 ページフレーム番号 ページ内オフセット V 存在ビット P アクセス制御 C 変更ビット ページテーブルレジスタ ページテーブルの先頭アドレス を格納するためのレジスタ ページテーブルレジスタ
- 16. ページテーブルはプロセスの数だけある ページ番 号 仮想空間 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 F 6 G 7 H ページテーブル V ページ番号 P C 01 1 10 20 31 0 40 50 60 70 ページ番 号 仮想空間 0 ア 1 イ 2 ウ 3 エ 4 オ 5 カ ページテーブル V ページ番号 P C 01 2 10 20 31 3 40 50 ページフレ ーム番号 実空間 0 D 1 A 2 ア 3 エ プロセスA プロセスB
- 17. ページテーブルの大きさ ■ 仮想アドレス 32ビット ‣ ページサイズ 12ビット - 4KB ‣ 仮想ページ番号 20ビット ■ ページテーブルの大きさ 220 (1+20+1+1)=23MB ■ １プロセスごとに23MB！ ■ ページテーブルは空きが多い． ‣ ページサイズを小さくできる - 多段ページング 仮想ペー ジ番号 仮想空間 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 F 6 G 7 H ページテーブル V ページ番号 P C 01 1 10 20 31 0 41 3 51 2 60 70 仮想アドレス 0 100 ページ番号 ページ内オフセット 32ビット 20ビット 12ビット ページフレーム番号 ページ内オフセット ページテーブル V ページ番号 P C 0 1 2 220-1
- 18. 多段ページングテーブル 仮想アドレス（32ビット） 10ビット 10ビット 12ビット L1 ページ番号 L2 ページ番号 ページ内オフセット L2 ページテーブル V ページフレ ーム番号 R M 0 1 2 210-1 L1 ページテーブル ページテーブ 0 1 2 210-1 V ページフレ ーム番号 R M 0 1 2 210-1 実アドレス（32ビット） 20ビット 12ビット ページフレーム番号 ページ内オフセット 仮想アドレス（32ビット） 20ビット 12ビット ページ番号 ページ内オフセット ページテーブル V ページ番号 R M 0 1 2 220-1 多段にするという考 え方は同じですが， いろんな言い方があ る． L1/L2 プライマリ/セカンダリ outer/iner
- 19. 多段ページングテーブルの利点 ■ 必要なテーブルだけをメモリに置けば良い． ‣ L1ページテーブル ‣ 使っているL2ページテーブル 仮想アドレス（32ビット） 10ビット 10ビット 12ビット L1ページ番号 L2ページ番号 ページ内オフセット L2ページテーブル V ページ番号 R M 0 1 2 210-1 L1ページテーブル ページテーブ 0 1 2 210-1 V ページ番号 R M 0 1 2 210-1 L1ページテーブル 0 1 2 210-1 L2ページテーブ 0 1 2 210-1 0 1 2 210-1 0 1 2 210-1
- 20. セグメンテーション
- 21. セグメン ト番号 仮想空間 0 セグメンテーション 仮想アドレス 0 100 セグメント番号 ページ内オフセット sub1 sub2 lib main main データ プログラム構造 セグメン ト番号 仮想空間 1 sub1 セグメン ト番号 仮想空間 2 sub2 セグメン ト番号 仮想空間 3 lib セグメン ト番号 仮想空間 4 データ
- 22. セグメン ト番号 仮想空間 0 1 2 セグメンテーション データ 実ページ 番号 実空間 セグメントテーブル V ベース 長さ P C 0 1 2000 400 1 0 2 0 3 1 8000 380 4 1 6000 800 仮想アドレス 0 100 セグメント番号 ページ内オフセット 実アドレス 2000+100 ページ内オフセット V 存在ビット P アクセス制御 C 変更ビット sub1 sub2 lib main main sub1 sub2 lib データ 3 4 main データ lib 2000 6000 8000 プログラム構造 400 380 800 400 380 800
- 23. ページングとセグメンテーションの比較 ■ ページング ‣ ページ - プログラム構造とは関係なく同じサイ ズで分割する ‣ 固定区画方式 - 内部断片化 ‣ 固定長の記憶管理 → 高速 ‣ ページは保護単位にはならない ■ セグメンテーション ‣ セグメント - プログラム構造を反映した単位で分割 する． ‣ 可変区画方式 - 外部断片化 ‣ 可変長の記憶管理 → 低速 ‣ セグメントは保護単位 - セグメント長による保護違反検出 - 実行可，読出しだけ，読み書き可
- 24. セグメン ト番号 仮想空間 0 1 2 ページ化セグメンテーション データ main sub1 sub2 lib 3 4 仮想アドレス 0 0 100 セグメント番号 ページ番号 ページ内オフ セット セグ メン 番号 ページ 番号 0 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E main ページテーブル V ページ番号 R M 0 1 2 1 2 セグメントテーブル ページテーブ 0 1 2 実アドレス（32ビット） 2 100 物理ページ番号 ページ内オフセット 実ページ 番号 実空間 0 1 2 A 3 main 内部断片化
- 25. セグメン ト番号 仮想空間 0 1 2 ページ化セグメンテーション データ main sub1 sub2 lib 3 4 仮想アドレス 0 0 100 セグメント番号 ページ番号 ページ内オフ セット セグ メン 番号 ページ 番号 0 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E main ページテーブル V ページ番号 R M 0 1 2 1 2 セグメントテーブル ページテーブ 0 1 2 実アドレス（32ビット） 2 100 物理ページ番号 ページ内オフセット 実ページ 番号 実空間 0 1 2 A 3 多段ページングとの違いは何だろう？ main 内部断片化