Virtuelt minne

Virtuelt minne gir hvert prosess illusjonen av et stort, privat adresserom, uavhengig av fysisk RAM-størrelse. OS og MMU (Memory Management Unit) oversetter virtuelle adresser til fysiske adresser ved hjelp av sidebasert adresseoversettelse.

Sidebasert minneadministrasjon (paging)

Det virtuelle adresserommet deles inn i sider (pages) av fast størrelse (typisk 4 KB). Fysisk minne deles inn i tilsvarende rammer (frames). En prosess sine sider trenger ikke å ligge kontinuerlig i fysisk minne.

En virtuell adresse deles i:

VPN (Virtual Page Number): Øverste biter – brukes som indeks i sidetabellen.
Page offset: Nedre biter – bevares uendret i den fysiske adressen.

Sidetabellen slår opp VPN og gir tilbake PPN (Physical Page Number). Fysisk adresse = PPN konkatenert med offset.

Sidetabell

Sidetabellen lagres i hovedminne og er én per prosess. Hver oppføring (PTE – Page Table Entry) inneholder:

PPN: Fysisk rammenummer
Valid bit: 1 hvis siden er i minne, 0 trigger page fault
Dirty bit: 1 hvis siden er modifisert siden innlasting (write-back)
Reference bit: 1 hvis siden er aksessert nylig (brukes i LRU-approksimasjon)
Protection bits: Lese-, skrive- og eksekveringstillatelser

TLB (Translation Lookaside Buffer)

Sidetabell-oppslag er dyrt (ekstra minneaksess). TLB er en liten, rask fullt assosiativ cache for nylige adresseoversettelser (VPN → PPN). TLB-treff: oversettelse på ca. 1 syklus. TLB-miss: gå til sidetabellen i minne.

Sideutskifting (page replacement)

Ved page fault og fulle rammer: velg en ramme å kaste ut. Algoritmer:

LRU: Kast ut siden som ikke er brukt lengst tid.
FIFO: Kast ut den eldste innlastede siden.
Optimal (OPT/MIN): Kast ut siden som ikke vil bli brukt lengst tid fremover. Brukes som referanselinje.

Eksempel: Virtuell → Fysisk adresseoversettelse

32-bits virtuell adresse, sidestørrelse = $4\,\text{KB} = 2^{12}$ bytes. Offset = 12 biter, VPN = 20 biter. Virtuell adresse $0x00003ABC$: offset = $0xABC$ (siste 12 bits), VPN = $0x00003$. Sidetabellen sier PPN for VPN $0x00003$ = $0x17F$. Fysisk adresse = $0x17F\,ABC$.

Eksempel: Tell adresse-, VPN- og PPN-biter

Fast heltallsoppgave. Virtuelt adresserom $2^{32}$ byte, fysisk minne $32\,\text{MB} = 2^{25}$ byte, sidestørrelse $4\,\text{KB} = 2^{12}$ byte.

Offset (samme virtuelt og fysisk) $= \log_2(2^{12}) = $ 12 bit.
Fysisk adresse $= \log_2(2^{25}) = $ 25 bit.
Virtuelt sidenummer (VPN) $= 32 - 12 = $ 20 bit.
Fysisk sidenummer (PPN) $= 25 - 12 = $ 13 bit.

Poeng: offset er likt på begge sider; det er kun sidenummer-feltet som oversettes via sidetabellen/TLB. Konseptuelle flervalg går igjen: sidetabellen ligger i hovedminne (ikke L2), TLB er typisk fullt assosiativ, og virtuelt minne lar ulike programmer bruke samme virtuelle adresser uten konflikt.

Studieguide: Virtuelt minne

Studieguide: Virtuelt minne