Sistema Operativo – Memoria RAM física y memorias RAM virtual

Gestión de memoria RAM en los Sistemas Operativos

Paginación

La paginación permite que la memoria usada de un proceso no sea contigua, a un proceso se le asigna memoria física donde esté disponible.

La paginación evita el gran problema de acomodar trozos de memoria RAM física para alojar procesos de tamaño variable. De esta forma se simplifica el intercambio de páginas entre la RAM física y la memoria de almacenamiento auxiliar de disco fijo.

Permite intercambiar fragmento de códigos o datos que residen en la memoria principal y la memoria virtual, hay que encontrar espacio en el almacenamiento auxiliar del disco fijo para volcar páginas de la memoria RAM física.

Por sus ventajas la paginación es de uso común en muchos Sistemas Operativos.

Estructura de una memoria RAM de 32 Bits (32 bits son equivalente a una memoria RAM de 4 Giga Bytes)

00:00	Dirección de memoria 1
00:01	Dirección de memoria 2
…	…
…	..
…	..
…	..
…	..
FF:FF	Dirección de memoria  4.294.967.296

Los 4.294.967.296 de direcciones de una memoria RAM son divididos en segmentos, los segmentos son divididos en marcos, los marcos son divididos en páginas.

Segmentar una memoria RAM en segmentos, marcos y páginas

• Una memoria RAM de 4GB se puede dividir en 65536 segmentos de 65536 direcciones
• Un segmento se puede dividir en 256 marcos de 256 direcciones
• Un marco se puede dividir en 16 páginas de 16 direcciones

Paginación

¿Qué es y cómo funciona la paginación?

La paginación es uno de los esquemas de manejo de memoria en donde un computador puede almacenar y recuperar datos de un dispositivo de almacenamiento secundario para su uso en la memoria principal. En el esquema de manejo de memoria de paginación, el sistema operativo recupera datos desde un dispositivo de almacenamiento secundario en bloques de un mismo tamaño llamados páginas. La principal ventaja de paginación sobre la segmentación de memoria es que permite al espacio de dirección física de un proceso ser no contiguo. Antes de la paginación, los sistemas debían poner programas en almacenamiento de forma contigua, lo que causaba varios problemas de almacenamiento y fragmentación.

Una de las dificultades de la paginación es que también produce fragmentación si el sistema no dispone suficiente memoria RAM física. Si el sistema dispone de suficiente memoria RAM física el mecanismo de paginación es muy eficiente y produce un incremento en la velocidad de ejecución de procesos por parte de la CPU.

Los procesos se dividen en páginas

Los sistemas operativos son los encargados de tomar un archivo ejecutable del disco fijo y dividir sus procesos en páginas de memoria RAM. Cada proceso tiene su propia tabla de páginas y es responsable el sistema operativo de gestionar la ejecución de cada página y de la tabla de páginas. Cada entrada de la tabla de páginas contiene el número de marco de la página correspondiente en la memoria principal. Puesto que sólo algunas de las páginas de un proceso pueden estar en la memoria principal, se necesita un bit en cada entrada de la tabla para indicar si la página correspondiente está presente en la memoria principal o no. Si el bit indica que la página está en la memoria, la entrada incluye también el número de marco para esa página.

Estados de una página

Las páginas de un proceso tienen distintos estados, los estados son gestionados por la máquina de estados:

• Disponible para ejecutar
• Listo para ejecutar
• En ejecución
• Bloqueado y pronto para enviar a Listo para ejecutar
• No está en ejecución

Tabla de paginación

En cada entrada de la tabla de paginación existe un bit de presencia, que está activado cuando la página se encuentra en memoria principal. Bit de modificado, advierte que la página ha sido Modificada desde que fue traída del disco, y por lo tanto deberá guardarse si es elegida para abandonar la memoria principal. Bit de accedido recientemente, usado en el algoritmo de reemplazo de páginas llamado Menos Usado Recientemente (LRU, least recently used). También hay otros bits indicando los permisos que tiene el proceso sobre la página (leer, escribir, ejecutar).

Las computadoras con poca memoria tienen el problema que marcan el bit LRU de todas las páginas en memoria RAM, es decir todas las páginas que están en memoria son usadas, en caso de tener que traer nuevas páginas desde el disco fijo no cabrán en la memoria RAM y el sistema operativo tendrá que desalojar de la memoria RAM página que son usadas. Se produce un ciclo vicioso de cargar y desalojar páginas de la memoria RAM con mucha frecuencia. Cada vez que el sistema operativo no encuentra una página en memoria RAM se produce un error de página.

Esquema de memoria física y lógica.

El método básico para implementar paginación consiste en dividir la memoria física en bloques de tamaño fijo llamados marcos y dividir la memoria lógica de marcos en bloques del mismo tamaño llamados páginas Cuando un proceso se va a ejecutar, sus páginas son cargadas en cualquier marco de la memoria de almacenamiento secundario. Un proceso es dividido en páginas y las páginas pueden ocupar marcos no contiguas. En caso que un proceso muy grande ocupara más de un marco los marcos pueden ser ubicados en segmentos de memora.

Hardware de paginación entre la CPU y la memoria RAM

El tamaño de página es definido por hardware. El tamaño de una página es típicamente una potencia de 2, variando entre 16B y 16 MB por página, dependiendo de la arquitectura del computador.

Esquema hardware de paginación con el CPU

Cualquier dirección generada por la CPU es divida en dos partes: un número de página (n) y un offset de página (d). El número de página es usado como índice en una tabla de página. La tabla de página contiene las direcciones base de cada página en la memoria física. Esta dirección base es combinada con el offset de página para definir la dirección de memoria física que es enviada a la CPU.

Página n

				d (offset)
xx:xx	xx:x1…	…	…	xx:xd	…	…	…	…	xx:xf

El CPU tiene un reducido sistema de datos referente a un segmento o marco, el CPU tiene un número lógico de de página, n, y un número de desplazamiento, d, dentro de la página n.

Es necesario gestionar la traducción de los valores lógicos n y d a los valores físicos de una dirección física de memoria RAM, recordar que la memoria RAM se ha dividido en segmentos y marcos.

Tabla de página de memoria virtual

La tabla de página es una estructura de datos basada en los estados de unos bits, dichos bits marcan los estados de las páginas en el sistema de memoria virtual, el sistema operativo almacenar la relación entre una dirección virtual y las direcciones físicas.

Formas de paginación:

• Paginar entre la memoria RAM física y el CPU
• Paginar entre la memoria RAM física y la memoria RAM virtual en el disco fijo

La paginación entra la memoria RAM física y el CPU es muy rápida y depende de la calidad de los componentes hardware. Los CPU tienen memoria cache para guardar páginas, se producen fallos de páginas en la memoria cache del CPU si el CPU constantemente tiene que transferir páginas de la memoria cache a la RAM y de la RAM a la memoria cache del CPU.

La paginación entre la memoria RAM física y la memoria RAM virtual es muy lenta y depende de la eficiencia del disco fijo. Una computadora con poca memoria RAM física puede tener el problema de transferir páginas entre la memoria RAM física y la memoria RAN virtual constantemente, produciendo una degradación general del sistema.

Ejemplo de errores de paginación en la RAM física y virtual

En el siguiente ejemplo vemos una computadora con 1MB de memoria RAM y 1.3MB de memoria virtual y con graves problemas de paginación entre la memoria física RAM y la memoria virtual del disco fijo.

Intercambio, SWAPPING, de páginas entre la memoria RAM y la memoria Virtual

Si hay demasiados intercambios de páginas entra la RAM física y la RAM virtual se producen segmentación o fragmentación de la memoria RAM física. Los sistemas operativos tienen que trabajar demasiado desfragmentando la memoria RAM física. El objetivo de los sistemas operativos es mantener las páginas contiguas y no producir fragmentación de páginas por toda la memoria RAM física.

Degradación del sistema

• Demasiado acceso al disco fijo, los disco fijos son dispositivos de entrada y salida muy lerdos
• Fragmentación de memoria RAM, los sistemas operativos tienen que trabajar para desfragmentar la memoria RAM física
• Fragmentación de memoria RAM virtual, los sistemas operativos tienen que trabajar para desfragmentar la memoria RAN virtual en el disco fijo
• Tarea de desfragmentación del archivo de memoria virtual
• Tarea de desfragmentación del direccionamiento de páginas virtuales en el archivo de memoria virtual

La única solución es comprar más memoria RAM física si un sistema es afectado severamente por la degradación de paginación de memoria RAM física y virtual