Musterlösung - Universität Paderborn

Sommersemester 2011
Konzepte und Methoden der Systemsoftware
Universität Paderborn
Fachgebiet Rechnernetze
Präsenzübung 09
vom 06.06.2011 bis 10.06.2011
Aufgabe 1: Grundlagen der Speicherverwaltung
1. Nennen Sie mindestens drei der Aufgaben, die die Speicherverwaltung zu erfüllen hat.
2. Erläutern Sie kurz und präzise die Unterschiede zwischen:
• Interner Verschnitt und externer Verschnitt
• Seite und Kachel
• Logische Adressen und physikalische Adressen
3. Erklären Sie kurz die Funktionsweise des Paging.
4. Welche Daten werden zu welchem Zweck in der Seitentabelle gespeichert?
Musterlösung zu Aufgabe 1:
1. Aufgaben der Speicherverwaltung:
• Übersetzen von logische in physikalische Adressen
• Zuweisung von Speicher an Prozesse, Freigabe von Speicher
• Verhinderung von unerlaubtem Speicherzugriff
• Ermöglichung von geteiltem Speicher (Shared Memory)
• Im Falle von Engpässen Teile des Speichers auslagern
2. Unterschiede:
• Einem Prozess zugewiesener, aber von ihm nicht genutzter Speicher ist interner Verschnitt,
nicht zugewiesener und aufgrund der Fragmentierung nicht zuweisbarer, aber in der Summe
ausreichender Speicher ist externer Verschnitt.
• Eine Kachel ist eine Einheit im physikalischen Speicher, eine Seite ist eine Speichereinheit
im logischen Adressraum. Diese sind i.d.R. gleich groß.
• Logische Adressen werden vom Programm intern verwendet und müssen keine Speicherbelegung
durch andere Programme berücksichtigen. Physikalische Adressen werden zum Zugriff
auf reell vorhandenen Speicher verwendet.
3. Paging erweitert den vorhandenen Arbeitsspeicher durch Virtualisierung, indem Daten daraus auf
die Festplatte ausgelagert werden, wenn sie nicht benötigt werden und wieder in den Arbeitsspeicher
geladen werden, wenn sie benötigt werden.
4. In der Seitentabelle werden folgende Daten gespeichert:
• Logische und physikalische Adressen (der Seite und der Kachel)
KMS Sommersemester 2011 Präsenzübung 09 1

• Modifikationsbit (gibt Aufschluss darüber, ob die Daten verändert wurden und bei Auslagerung
auf die Platte geschrieben werden müssen oder einfach überschrieben werden können)
• Präsenzbit (ob die Seite geladen werden muss oder bereits im Speicher ist)
• Referenzbit (Zur Messung der Zugriffe, wichtig für Verdrängungsstrategien. Kann ggf. auch
größer als ein Bit sein.)
• Zugriffsrechte (Beschreibt, welche Prozesse Lesen und Schreiben dürfen)
Diese Aufgabe wurde benutzt: KMS Präsenzübung9 2007
Aufgabe 2: Paging
Betrachten Sie ein System mit Kacheln der Größe 16 KiByte 1 . Die kleinste adressierbare Einheit ist 4
Byte. Der Adressbus hat eine Breite von 32 Bit.
1. Kann es ein Problem darstellen, wenn ein Byte nicht einzeln, sondern nur im Verbund mit 3 anderen
angesprochen werden kann? Begründen Sie und beschreiben Sie ggf., wie mit dem Problem
umgegangen werden sollte.
2. Kann interner oder externer Verschnitt auftreten? Begründen Sie kurz!
3. Woraus setzt sich eine logische Adresse im o.g. System zusammen und welche Bedeutung und
Länge haben die jeweiligen Bestandteile der Adresse? Wie wird daraus die physikalische Adresse
bestimmt und aus welchen Bestandteilen (welche Bedeutung, welche Länge?) setzt sich diese
wiederum zusammen?
4. Wie groß müssen die Seitentabellen sein, um Informationen für die Seiten von 100 Prozessen
aufnehmen zu können?
5. Zwei Personen streiten sich über die größe des Adressierbaren Speichers. Person A glaubt, es seien
ungefähr 4 GB, Person B glaubt, es seien 16 GB. Woran kann diese Meinungsverschiedenheit
liegen?
6. Wie viele Seiten können im Beispielsystem maximal adressiert werden und wie viel Speicherkapazität
steht damit maximal für einen Prozess zur Verfügung?
Musterlösung zu Aufgabe 2:
1. Wenn Bytes nur im Verbund angesprochen werden können, muss es eine Möglichkeit geben, ein
Byte aus diesem Verbund herauszulösen. Möglich ist dies durch spezielle Assemblerbefehle, die
Zugriff auf einen Teil eines Wortes erlauben oder durch geeigneten Bitshift. Es bedeutet weiterhin,
dass bereits für kleine Typen wie Boolean oder Short mehr Bytes als notwendig verwendet werden.
2. Für externen Verschnitt müssten die Kacheln unglücklich fragmentiert sein und das Dateisystem
(bzw. die interne Struktur der Auslagerungsdatei) dürfte keine Fragmentierung unterstützen. Interner
Verschnitt kann auftreten, wenn eine Kachel/Seite nicht vollständig mit Daten gefüllt wird.
3. Logische Adressen beinhalten zwei Teile: Das Offset, mit dem ein 4 Byte großer Block innerhalb
einer Seite referenziert wird (12 Bit) und der Kacheladresse, die weitere 20 Bit ausmacht. Die physikalische
Adresse hat die gleichen (auch gleich langen) Bestandteile: Das Offset ist identisch und
bezeichnet einen Block innerhalb der Kachel. Die Seitenadresse wird jedoch in die Kacheladresse
übersetzt und ist damit nicht mehr identisch.
4. Da jeder Prozess mit 2 20 Bit die Seite adressiert, kann jeder Prozess maximal 2 20 Seiten haben.
Für 100 Prozesse bedeutet dies, dass die Seitentabellen bis zu 100 Millionen Einträge groß werden
können.
1 Das Präfix "Kibi"bedeutet einen Faktor von 2 10
KMS Sommersemester 2011 Präsenzübung 09 2

5. Diese Meinungsverschiedenheit liegt daran, dass verschiedene Systeme unterschiedlich adressieren.
Manche Systeme betrachten die Adresse als Adresse des Blockes aus 4 Bytes, andere Systeme
erlauben den Zugriff auf den Block über die Adresse des ersten Bytes des Blockes. In letzterem
Fall müssen alle gültigen Adressen Vielfaches von 4 sein (0,4,8,...), was den Adressraum stark
reduziert.
6. Die Seitenadresse ist 20 Bit lang, sodass sich 2 20 Seiten adressieren lassen. Da jede Seite 16 KiByte
groß ist, lässt sich ein Speicher der Größe 2 (20+10+4) = 2 34 = 17.179.869.184Bytes ansprechen.
Diese Aufgabe wurde benutzt: KMS Präsenzübung9 2007 und neue Fragen
Aufgabe 3: Logische und physikalische Adressen
1. Was ist die MMU? Wie ist diese auf Hardwareebene in die Systemarchitektur eingebaut?
2. Wie werden logische Adressen von der MMU in physikalische Adressen umgewandelt?
3. Die MMU verwendet Caching. Was wird in diesem Cache gespeichert? Worin unterscheidet sich
dieser Cache von dem Ihnen bisher aus der Vorlesung bekannten Cache? Was passiert bei einem
Cache-Miss?
4. Darf der Aufruf einer logischen Adresse, zu der keine physikalische Adresse gehört, überhaupt
vorkommen? Wenn ja, wie soll damit umgegangen werden?
Musterlösung zu Aufgabe 3:
1. Die MMU (Memory Management Unit) wandelt die von einem Prozess verwendeten logischen
Adressen in physikalische Adressen um. Sie befindet sich zwischen CPU und Speicher. Zwischen
CPU und MMU bzw. MMU und Speicher können sich Caches befinden, diese müssen dann mit
logischen bzw. physikalischen Adressen umgehen können. Caches, die mit logischen Adressen
arbeiten, müssen bei einem Prozesswechsel geleert werden, damit ein Prozess nicht die Daten des
Vorgängers lesen kann, sondern seine eigenen.
2. Die MMU empfängt logische Adressen und schlägt die dazugehörigen physikalischen Adressen
nach. Dazu wird (siehe vorige Aufgabe) nur ein Teil der Adresse zum Nachschlagen verwendet, da
die Daten in einer Seite die gleiche Position (relativ zur Seite) haben wie in einer Kachel (relativ
zur Kachel).
3. Der Cache der MMU ist der Translation Lookaside Buffer (TLB). Er unterscheidet sich zunächst
von den bisher bekannten Caches dadurch, dass er für Adressen statt für Daten gedacht ist und aus
diesem Grund die Einträge möglicherweise eine andere Größe haben, um die Adressen aufnehmen
zu können. Je nach Design können weitere Informationen in diesem Cache gespeichert werden,
beispielsweise Informationen über Zugriffsrechte. Je nach Ausführung kann der Zugriff auf die
Seitentabelle in Hardware oder in Software (durch das Betriebssystem) erfolgen.
Bei einem Cache-Miss wird der entsprechende Eintrag aus einem weiteren Cache geladen. Seitentabellen
können so groß werden, dass der Hardwareaufwand dafür unvertretbar wird.
4. Ein solcher Aufruf darf vorkommen, sofern er bemerkt werden kann. Ein Grund dafür kann eine
Kachel sein, die ausgelagert wurde. In einem solchen Fall muss sie erst wieder in den Arbeitsspeicher
geladen werden.
Diese Aufgabe wurde benutzt: KMS Präsenzübung8 2010 mit neuen Teilaufgaben
KMS Sommersemester 2011 Präsenzübung 09 3