Fundamentos de la Gestión de Memoria en Sistemas Operativos: Paginación, Segmentación y MMU

Gestión de Memoria en Sistemas Operativos

Objetivos del Sistema de Gestión de Memoria

• Ofrecer a cada proceso un espacio lógico propio.
• Proporcionar protección entre procesos.
• Permitir que los procesos compartan memoria.
• Dar soporte a las distintas regiones del proceso.
• Maximizar el rendimiento del sistema.
• Proporcionar a los procesos mapas de memoria muy grandes.

Espacio de Direcciones de un Proceso

Conjunto de direcciones a las que hace referencia un proceso.

Tipos de Espacios de Direcciones

• Físicas: Referencian alguna posición de la memoria física.
• Lógicas o Virtuales: Son las que utilizan los procesos y sufren una serie de transformaciones, realizadas por el procesador (la MMU), antes de convertirse en direcciones físicas.
• Lineales: Se obtienen a partir de las direcciones lógicas tras haber aplicado una transformación dependiente de la arquitectura.

Funciones de la Unidad de Manejo de Memoria (MMU)

• Convertir las direcciones lógicas emitidas por los procesos en direcciones físicas.
• Comprobar que la conversión se puede realizar.
• Comprobar que el proceso que intenta acceder a una cierta dirección de memoria tiene permisos para ello.
• En caso de fallos, se lanzará una excepción que deberá ser resuelta por el kernel del SO.
• La MMU se inicializa por cada proceso del sistema.
• En todos los procesos se configura la MMU para que la zona del kernel solo se pueda acceder en modo kernel (modo privilegiado).
• La configuración correspondiente al espacio de memoria del kernel es idéntica en todos los procesos.

Subsistema de Gestión de Memoria (Parte del Kernel del SO)

• Decide qué procesos residen en memoria principal (al menos una parte).
• Maneja parte del espacio de direcciones virtuales que ha quedado fuera.
• Controla la cantidad de memoria principal.
• Gestiona el intercambio de procesos entre memoria principal y memoria secundaria o dispositivo de swap.

Ventajas de la Paginación por Demanda

• Flexibilidad al mapear el espacio de direcciones virtuales de un proceso con la memoria física de la máquina.
• Permite que el tamaño de un proceso sea mayor que la cantidad de memoria física disponible.
• Más procesos residiendo en memoria simultáneamente.

Memoria Virtual

La memoria virtual es un mecanismo que permite al sistema gestionar niveles de memoria principal y memoria secundaria.

• Transferencia de bloques entre ambos niveles (normalmente basado en paginación).
• De memoria secundaria a principal: por demanda.
• De memoria principal a secundaria: por expulsión.

Paginación

La paginación es una técnica de gestión de memoria donde:

• El espacio virtual de direcciones se divide en unidades llamadas páginas, todas del mismo tamaño.
• La memoria principal se divide en marcos de páginas del mismo tamaño que las páginas virtuales (en cada marco de página se carga una página de un proceso).
• No todo el espacio virtual de direcciones está cargado en memoria principal. Una copia completa se encuentra en disco y las páginas se traen a memoria principal cuando se necesitan.

Tabla de Páginas (TP)

La Tabla de Páginas (TP) relaciona cada página con el marco que la contiene.

• La MMU usa la TP para traducir direcciones lógicas a físicas.
• Típicamente usa dos tablas de páginas (TPs): TP de usuario y TP de sistema (solo se permite usar estas direcciones en modo sistema).

Transformación de Dirección Virtual a Física

Los bits de mayor peso de la dirección virtual se interpretan como el número de la página en la TP y los de menor peso como el número de palabra dentro de la página (desplazamiento).

Segmentación

La segmentación es otra técnica de gestión de memoria donde:

• El espacio de direcciones se divide en segmentos, cada uno de los cuales corresponde a una rutina (procedimiento o función). Cada programa contiene una cierta cantidad de segmentos.
• Los primeros segmentos se reservan para procedimientos, datos y pila pertenecientes al programa en ejecución.
• Los segmentos restantes contienen un archivo por segmento.