Paging #

• Der Hauptspeicher wird in Pages fixer Grösse verwaltet
• Die Pagesize ist üblicherweise 4kB
  • Meistens nur Kernel-Intern werden Huge Pages a z.B. 2MB verwendet vgl. cat /proc/meminfo
• Bei Zugriff auf ausgelagerte Pages erfolgt ein "Page Fault"

Paging: Page Faults #

• Bei einem File: Daten sind noch nicht im Physical Memory sondern auf der Disk
• Page Faults werden durch den Kernel behandelt.

Paging Mechanismus #

• Jeder Prozess hat einen eigenen VM Space (vgl. cat /proc/<PID>/maps)
• Die Umsetzung des Pagings erfolgt HW-Unterstützt durch MMU (Memory Management Unit / Paging Unit)
• Paging = Zuordnung VM => PM

Virtual zu Physical Memory Paging #

Virtual zu Physical Memory Paging #

Einzelner Page Table Eintrag eines Prozesses #

Vorteile von Memory Paging #

• Keine Fragmentierung des physical Memory
  • Speicherbereich in der App muss in phys. Memory nicht zusammenhängen
• Protected Memory: Prozesse und Kernel geschützt vor einander.
• On Demand Paging (Einlagern erst bei Bedarf)
  • ... findet bei dynamischen und statischen Libs statt
• Copy on Write: Sobald in einen eingelagerten Bereich geschrieben wird, erstellt der Kernel eine Kopie im physical Memory
• Readonly: Physical Memory ist shared (die App weiss das aber nicht)

Page-Cache #

• Diskzugriffe werden in Pages gecached und bleiben auch nach dem Zugriff im Memory erhalten.
• ... das gesamte DRAM dient so als Buffer, um Zugriffe auf die Disk zu beschleunigen

Swapping #

• Bei DRAM-Knappheit werden Pages auf eine Blockdevice ausgelagert. Bei Embedded meistens wegen Flashspeicher ausgeschaltet.

Page Directories und Page Tables #

Page Directories #

Page Tables: Hirarchie #

Page Directory und Page Tables #

• Mapt physikalische Adresse auf virtuelle Adresse
• Liegen immer im RAM und können nicht ausgelagert werden
• Hierarchisch um Platz zu sparen

MMU #

• Kann max ~ 1000 Pagetable-Einträge halten
• ... im sogenanten Translation Lookaside Buffer (TLB)
• sehr schneller Lookup ~1 Clock Cylce
• ein Process- / Taskswitch auf der CPU erfordert einen "TLB-Flush" aufgrund Wechsel der Pagetable => Zeitaufwändig

mmap() Systemcall #

• Im Vergleich zu read / write viel performanter
  • Nutzt ein Treiber mmap werden die Daten nicht kopiert sondern gepaged.
  • ansonsten immer copy_to_user oder copy_from_user
• mmap auf die Disk
  • wird bei shared / static Libs verwendet um zu pagen

Protected Mode #

• Speicherschutz
• Schutz des Kernels und Peripherie (Reg. liegen im Physical Memory)
• Hardwareunterstützt
  • OS mit Virtual Memory Management / Paging
  • Memory Management Unit
  • CPU mit min. 2 Privilege Levels
  • Kernel läuft auf mit max Privileges

Wie lange dauert ... #