Einstufige Seitentabellen

Damit die Hintergründe zu einstufigen Seitentabellen verstanden werden können, sind zunächst einige Umrechnungen nötig. Dies geschieht in der folgenden Aufgabe:


Aufgabe 1

Aufgabe
Wenn du es umrechnen kannst, dann kannst du es auch verstehen!

Ein Computersystem arbeitet mit der virtuellen Speicherverwaltung. Es gelten folgende Voraussetzungen:

  • Physikalischer Adressraum:
    Der (in den Rechner eingebaute) physikalische Speicher habe eine Größe von 512 MiB.
  • Virtueller Adressraum:
    Der (jedem Prozesess zugeordnete) virtuelle Speicher habe eine Größe von 4 GiB.
  • Ein Seitenrahmen (Pageframe) habe eine Größe von 64 KiB.
  • Eine (virtuelle) Seite hat per Definition die gleiche Größe wie ein Seitenrahmen, also auch 64 KiB.

Berechne:

  • Aus wievielen Seitenrahmen besteht der physikalische Adressraum?
    Gib die Antwort sowohl als Dezimalzahl, als auch als 2er-Potenz an!

  • Aus wievielen Seiten besteht ein virtueller Adressraum?
    Gib die Antwort sowohl als Dezimalzahl, als auch als 2er-Potenz an!

  • Wieviele Byte ergeben 64 KiB umgerechnet?
    Gib die Antwort sowohl als Dezimalzahl, als auch als 2er-Potenz an!


Die bei den Umrechnungen ermittelten Werte werden in dem folgenden Video wieder aufgegriffen. Es erklärt die Hintergründe einer einstufigen Seitentabelle und wie die MMU diese nutzt.


Adressumrechnung mit einstufiger Seitentabelle


Das im Video erläuterte Beispiel geht davon aus, dass in den betrachteten Rechner ein physikalischer Speicher (RAM) von 512 MiB eingebaut ist. Jedem Prozess wird vom Betriebssystem ein virtueller Speicher von 4 GiB zugewiesen. Aus diesen Voraussetzungen ergeben sich die Adresslängen:

  • Länge einer virtuelle Adresse: 32 Bit
  • Länge einer physikalische Adresse: 29 Bit


Wichtig

Basiert das betrachtete Rechnersystem auf anderen (physikalischen und virtuellen) Speichergrößen, so ändern sich auch die Adresslängen!

(Siehe Aufgabe 3 unten.)


Beispiel einer Seitentabelle

In der folgenden Abbildung sieht man die im Video gezeigte Seitentabelle. Sie besitzt insgesamt 65.536 Zeilen.

Seitentabelle-4gb.jpg


Seitentabelleneintrag

Jede Zeile der Seitentabelle nennt man einen sogenannten Seitentabelleneintrag. Nach dem bisherigen Kenntnisstand besteht ein Seitentabelleneintrag also aus einer Seitenrahmen-Nummer und dem Present-/Absent-Bit.


Hinweis

In der Praxis besteht ein Seitentabelleneintrag üblicherweise noch aus einigen weiteren Informationen. Bildlich gesprochen enthält die Seitentabelle also noch weitere Spalten. Wir kommen später darauf zurück.


Aufgabe 2

Aufgabe
Eine Seitentabelle hat es in sich

Betrachte die Seitentabelle aus der vorangegangenen Abbildung.

  • Warum besitzt die Tabelle genau 65.536 Zeilen?

  • Unter welchen Umständen ist es erlaubt, dass eine Seitenrahmen-Nr. mehrfach in der Tabelle vorkommt? (Siehe 0 0000 0000 0000, es wären aber auch andere doppelte Nummern denkbar.)

  • In der Spalte mit dem Present-/Absent-Bit: Wieviele Einsen könnten in dieser Spalte maximal auftreten? Warum nicht mehr?

  • Wie realistisch ist es in der Praxis, dass in der Spalte mit dem Present-/Absent-Bit tatsächlich einmal die Maximalzahl an Einsen auftritt? Erläutere!


Aufgabe 3

Aufgabe
Nur 64 KiB RAM

Ein Rechnersystem besitzt einen physikalischen Speicher (RAM) von 64 KiB. Das Betriebssystem weist jedem Prozess einen virtuellen Speicher von 128 KiB zu.

  • Welche Länge hat eine physikalische Adresse?
  • Welche Länge hat eine virtuelle Adresse?
  • Wie ist die einstufige Seitentabelle in diesem Fall aufgebaut?
  • Wie viele Zeilen besitzt die Seitentabelle?
  • Erkläre an einem Beispiel, wie die Umrechnung einer virtuellen in eine physikalische Adresse funktioniert.
  • Gehe in deinem Beispiel davon aus, dass das zehnte Byte innerhalb der betreffenden virtuellen Seite adressiert wird.

Hinweis:
Wenn du schon ein gewisses Verständnis für dieses Thema entwickelt hast, dann hast du bereits bemerkt, dass innerhalb dieser Aufgabe eine wichtige Vorraussetzung nicht genannt wurde. In dem Video ist sie hingegen genannt!

Denke erst nach, schaue dir das Video nochmals an, und diskutiere in deiner Lerngruppe. Dann brauchst du den folgenden Tipp sicher nicht.


Mandl 2013 zeigt in Kap. 7.2.1, Abb 7-14, ein Beispiel für eine Adressumsetzung mit Hilfe einer einstufigen Seitentabelle. Die folgende Aufgabe fordert Ähnliches:


Aufgabe 4

Aufgabe
Du bist jetzt die MMU

Betrachte die einstufige Seitentabelle oben.

Rechne mit Hilfe der Seitentabelle die folgenden virtuellen Adressen in physikalische Adressen um:

  • 0000 0000 0000 0010 1111 0000 0101 0000
  • 0000 0000 0000 0011 1000 0110 0111 0111
  • 0000 0000 0000 0101 1100 0100 1110 1111

Hinweis:
Gehe davon aus, dass die Zeilen in der Seitentabelle von unten nach oben durchnummeriert sind:

  • Die Zeile ganz unten ist die Zeile Nr. 0.
  • Die Zeile ganz oben ist die Zeile Nr. 65.535.


Wie bereits erwähnt können alternativ zu einstufigen Seitentabellen auch mehrstufige Seitentabellen zum Einsatz kommen.



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