MMU - Memory Management Unit

Die Memory Management Unit, kurz MMU, ist eine Hardware-Komponente, welche üblicherweise direkt auf der CPU beheimatet ist. Sie unterstützt das Betriebssystem bei der Verwaltung des Hauptspeichers, und trägt so zu einer größeren Flexibilität und besseren Ausnutzung des vorhandenen physikalischen Speichers (RAM) bei.


Wie es bisher ohne MMU ist

Bevor die konkrete Arbeitsweise der MMU erläutert wird, sei kurz an den bisherigen Stand der Hauptspeicherverwaltung erinnert:

Wichtig

Die bisher betrachtete Hauptspeicherverwaltung hat mit Hilfe des Basisregisters jeweils zusammenhängende Speicherbereiche für jeden im RAM eingelagerten Prozess zugreifbar gemacht. Der Speicherschutz wurde mit Hilfe des Limitregisters realisiert.


Nachteilig, weil wenig flexibel, ist hierbei der Zwang zum zusammenhängenden Speicherbereich. Es muss bereits ganz zu Beginn festgelegt werden, wie groß dieser Speicherbereich ist. Nachträgliche Änderungen dieser Größe (d.h. zur Laufzeit des betreffenden Prozesses) sind zwar nicht unmöglich, aber i.d.R. sehr zeitintensiv und damit in der Durchführung nicht zu empfehlen.

Um eine Flexibilisierung der Speicherverwaltung zu erreichen, wurden in Betriebssystemen Konzepte einer virtuellen Speicherverwaltung integriert. Die bereits von vorangegangenen Seiten bekannte Forderung wird hier wiederholt:

Wichtig
Wir brauchen ein Betriebssystem!

Und eine der Aufgaben des Betriebssystems wird die Verwaltung des Hauptspeichers und die Versorgung aller Prozesse mit benötigten Teilen des Hauptspeichers sein.


Virtuelle Speicherverwaltung

Die virtuelle Speicherverwaltung kann sehr kompliziert erscheinen, wenn man sie allein durch Worte und ein paar Abbildungen beschreiben, bzw. verstehen soll. Glücklicherweise gibt es das folgende Video, welches die Grundlagen anschaulich zeigt.

Video.png
Video


Aus dem Video folgen einige Definitionen:


Definition: Physikalischer Speicher

Definition

Unter dem physikalischen Speicher eines Computers versteht man den tatsächlich in dieses Gerät verbauten Speicher, soweit er direkt von der CPU oder der MMU angesprochen werden kann.


Definition: Virtueller Speicher

Definition

Unter dem virtuellen Speicher eines Prozesses versteht man den Speicherbereich, der einem Prozess durch das Betriebssystem zur Verfügung gestellt wird.


Man bemerke hier eine entscheidende Kleinigkeit in den Definitionen:

Wichtig

Der physikalische Speicher bezieht sich auf den Computer, während der virtuelle Speicher auf einen Prozess bezogen wird!


Da bei den vorangegangenen Definitionen der Speicher an sich unterschieden wurde, gibt es auch bzgl. der Speicheradressen eine Unterscheidung:


Definition: Physikalische Speicheradresse

Definition

Unter einer physikalischen Speicheradresse versteht man eine Adresse innerhalb des physikalischen Speichers eines Rechners.


Definition: Virtuelle Speicheradresse

Definition

Unter einer virtuellen Speicheradresse versteht man eine Adresse innerhalb des virtuellen Speichers eines Prozesses.


Aufgabe 1

Aufgabe
Eindeutig oder mehrdeutig?

Eine physikalische Adresse ist eindeutig, d.h. es gibt sie nur einmal pro Rechner. Wie ist das bei einer virtuellen Adresse? Ist diese auch eindeutig, oder ist sie mehrdeutig? Erläutere!


Was sich durch die MMU ändert

Wie im Video zu sehen ist, wird durch die Einführung einer Memory Management Unit das Betriebssystem bei der Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen unterstützt. Da die MMU als Hardware auf genau diese Tätigkeit optimiert wurde, kann sie diese Umrechnung sehr viel schneller durchführen, und so bei jedem einzelnen Hauptspeicherzugriff einen Geschwindigkeitsvorteil erzielen.

Basis- und Limitregister fallen durch den Einsatz der MMU weg. Sie werden nicht mehr benötigt.

Eine etwas detailliertere Betrachtung der virtuellen Speicherverwaltung geschieht später im Kapitel Betriebssysteme.


Aufgabe 2

Aufgabe
Umrechnung und was noch?

Eine der Aufgaben der MMU ist die Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen. Aber das kann noch nicht alles sein. Denk' mal daran, was durch die MMU auf der CPU alles weggefallen ist.

Was ist also eine weitere Aufgabe der MMU?


Aufgabe 3

Aufgabe
Virtuelle Größen

Ein Computer besitzt 2 GiB physikalischen Speicher. Jeder gestartete Prozess besitzt 4 GiB virtuellen Speicher. Die typische Größe einer einzelnen virtuellen Seite bei Verwendung der virtuellen Speicherverwaltung beträgt 4 KiB.

  • Wie groß ist dann ein einzelner Seitenrahmen des physikalischen Speichers?
  • In wieviele Seiten ist der gesamte virtuelle Speicher eines Prozesses unterteilt?
  • Wieviele Seitenrahmen gibt es im physikalischen Speicher insgesamt?
  • Wieviele Speicherzellen zu je 8 Bit (= 1 Byte) besitzt ein einzelner Seitenrahmen des physikalischen Speichers?
  • Wieviele Speicherzellen zu je 8 Bit (= 1 Byte) besitzt eine einzelne Seite des virtuelle Speichers?

Gib jeweils kurz den Rechenweg mit an!
Hier findest du Hinweise zu den Schreibweisen GiB und KiB.


Aufgabe 4

Aufgabe
Swapping bei virtueller Speicherverwaltung?

Swapping kennst du bereits. Es bezeichnet das Aus- und Einlagern eines kompletten Prozesses. Diskutiere die folgenden Fragen in deiner Lerngruppe:

  • Funktioniert Swapping deiner Meinung nach auch bei der virtuellen Speicherverwaltung?
  • Falls ja: Sollten dann die leeren Seiten auch ausgelagert werden?
  • Ist es bei der virtuellen Speicherverwaltung vielleicht auch möglich, dass nur einzelne Seitenrahmen aus- und später wieder eingelagert werden, während die restlichen Seitenrahmen die ganze Zeit im physikalischen Speicher verbleiben?
    (Das wäre dann eine große Änderung zum Swapping, da hier immer der komplette Prozess ausgelagert werden musste.)