UNIDAD 4: ADMINISTRACIÓN DE LA MEMORIA

4.1 GESTIÓN DE MEMORIA

La memoria es uno de los principales recursos de la computadora, la cual debe de administrarse con mucho cuidado. Aunque actualmente la mayoría de los sistemas de computo cuentan con una alta capacidad de memoria, de igual manera las aplicaciones actuales tienen también altos requerimientos de memoria, lo que sigue generando escasez de memoria en los sistemas multitarea y/o multiusuario.

La parte del sistema operativo que administra la memoria se llama administrador de memoria y su labor consiste en llevar un registro de las partes de memoria que se estén utilizando y aquellas que no, con el fin de asignar espacio en memoria a los procesos cuando éstos la necesiten y liberándola cuanto terminen, así como administrar el intercambio entre la memoria principal y el disco en los casos en los que la memoria principal no le puedan dar capacidad a todos los procesos que tienen necesidad de ella.

Los sistemas de administración de memoria se pueden clasificar en dos tipo: Los que desplazan los procesos de la memoria al disco y viceversa durante la ejecución y los que no.

4.1.1 ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA.

En primer lugar tenemos que distinguir claramente entre tres tipos de memoria:

Una: la memoria EEPROM donde almacenaremos el programa que haremos, esta memoria solo podrá ser leída por el pic (el pic va leyendo las instrucciones del programa almacenado en esta memoria y las va ejecutando). Al apagar el pic esta memoria no se borra. Dos: la memoria RAM en cuyos registros se irán almacenando los valores de las variables que nosotros queramos y cuando nosotros queramos (por programa), al apagar el pic esta memoria se borra. Tres: la memoria EEPROM para datos, es un espacio de memoria EEPROM en la que se pueden guardar variables que queremos conservar aunque se apague el pic. No se tratará aquí por ser una memoria más difícil de emplear.

4.1.2 ADMINISTRADOR DE LA MEMORIA

Se refiere a los distintos métodos y operaciones que se encargan de obtener la máxima utilidad de memoria, organizando los procesos y programas que se ejecutan de manera tal que se aproveche de la mejor manera posible.

Para poder lograrlo, la operación principal que realiza es la de trasladar la información que deberá ser ejecutada por el procesador, a la memoria principal. Actualmente esta administración se conoce como  Memoria Virtual ya que no es la memoria física del procesador si no una memoria virtual que la representa.

Entre algunas ventajas, esta memoria permite que el sistema cuente con una memoria mas extensa teniendo la misma memoria real, con lo que esta se puede utilizar de manera más eficiente para que los programas que son utilizados no ocupen lugar innecesario.

4.1.3 JERARQUÍA DE LA MEMORIA

Se conoce como jerarquía de memoria a la organización piramidal de la memoria en niveles, que tienen los ordenadores. Su objetivo es conseguir el rendimiento de una memoria de gran velocidad al coste de una memoria de baja velocidad, basándose en el principio de cercanía de referencias.

Los puntos básicos relacionados con la memoria pueden resumirse en:

·         Cantidad

·         Velocidad

·         Coste

Como puede esperarse los tres factores compiten entre sí, por lo que hay que encontrar un equilibrio. Las siguientes afirmaciones son válidas:

·         A menor tiempo de acceso mayor coste

·         A mayor capacidad menor coste

·         A mayor capacidad menor velocidad.

4.1.4 ESTRATEGIAS PARA ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA

La memoria principal es el lugar donde el CPU lee las instrucciones a ejecutar, así como algunos datos a emplear.

Una de las funciones básicas que debe implementar un SO es la Administración de la Memoria para tener un control sobre los lugares donde están almacenados los procesos y datos que actualmente se están utilizando.

Mecanismos De Asignación: Un mecanismo de asignación determina la cantidad de bloques (particiones) que serán administrados en la memoria.

Existen 3 mecanismos de Asignación:

1.       Asignación De Una Partición: En la memoria se considera la existencia de una sola partición, esto es, se tiene la capacidad de ejecutar un proceso. La partición es toda la memoria, cuya administración corre por cuenta del usuario, o sea, no hay un sistema operativo.

2.       Asignación De Dos Particiones: La memoria se divide en 2 bloques. En una partición se carga el Sistema Operativo y en la otra el programa del usuario. Es el concepto de Sistema Operativo Monousuario.

3.       Asignación De Multiples Particiones: La memoria es dividida en varias particiones una para el Sistema Operativo y las demás para los procesos de usuarios u otras funciones especiales del Sistema Operativo. Este es el concepto teórico de asignación de memoria en los Sistemas Operativos de Multiparticiones y de Multitarea.

4.1.5 MULTIPROGRAMACIÓN CON PARTICIONES FIJAS Y VARIABLES

• Multiprogramación con particiones fijas:

Para poder implementar la multiprogramación, se puede hacer uso de particiones fijas o variables en la memoria. En el caso de las particiones fijas, la memoria se puede organizar dividiéndose en diversas partes, las cuales pueden variar en tamaño. Esta partición la puede hacer el usuario en forma manual, al iniciar una sesión con la máquina. 

La primera es mediante el uso de una cola única que asigna los procesos a los espacios disponibles de la memoria conforme se vayan desocupando. El tamaño del hueco de memoria disponible es usado para localizar en la cola el primer proceso que quepa en él.

• Multiprogramación con particiones variables.

Este esquema fue originalmente usado por el sistema operativo IBM OS/360 (llamado MFT), el cual ya no está en uso. El sistema operativo lleva una tabla indicando cuáles partes de la memoria están disponibles y cuáles están ocupadas. Inicialmente, toda la memoria está disponible para los procesos de usuario y es considerado como un gran bloque o hueco único de memoria. Cuando llega un proceso que necesita memoria, buscamos un hueco lo suficientemente grande para el proceso. Si encontramos uno, se asigna únicamente el espacio requerido, manteniendo el resto disponible para futuros procesos que requieran de espacio. Cuando a un proceso se le asigna un espacio y es cargado a la memoria principal, puede entonces competir para el uso del CPU.

4.2 MEMORIA REAL

La memoria real o principal es en donde son ejecutados los programas y procesos de una computadora y es el espacio real que existe en memoria para que se ejecuten los procesos. Por lo general esta memoria es de mayor costo que la memoria secundaria, pero el acceso a la información contenida en ella es de más rápido acceso. Solo la memoria cache es más rápida que la principal, pero su costo es a su vez mayor.

4.2.1 ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA CON MAPA DE BITS

Este tipo de administración divide la memoria en unidades de asignación, las cuales pueden ser tan pequeñas como unas cuantas palabras o tan grandes como varios kilobytes. A cada unidad de asignación le corresponde un bit en el mapa de bits, el cual toma el valor de 0 si la unidad está libre y 1 si está ocupada (o viceversa). Un mapa de bits es una forma sencilla para llevar un registro de las palabras de la memoria en una cantidad fija de memoria, puesto que el tamaño del mapa sólo depende del tamaño de la memoria y el tamaño de la unidad de asignación.

4.2.2 ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA CON LISTAS ENLAZADAS

Mantiene una lista enlazada de segmentos de memoria asignados y libres, donde un segmento es un proceso o un hueco entre dos procesos.

·         Si la lista se ordena por dirección es más fácil su actualización.

·         Si hay dos listas, una para memoria usada y otra para huecos, la asignación es más rápida, pero la liberación es más lenta

·         Ocurre lo mismo para asignar hueco de intercambio

4.2.3 DISTRIBUCIÓN DEL ESPACIO PARA INTERCAMBIO

En algunos sistemas, cuando un proceso esta en la memoria, no se le puede asignar espacio en disco. Cuando deba intercambiarse, puede colocarse en alguna otra parte del disco. Los algoritmos para administrar el espacio de intercambio son los mismos que se emplean para administrar la memoria principal.

En otros sistemas, cuando se crea un proceso, el espacio para intercambio se asigna para el en disco. Cada ves que el proceso se intercambia, siempre se cambia a su espacio asignado, en lugar de dirigirse a un lugar diferente en cada ocasión. Cuando el proceso sale, se desasigna el espacio para el intercambio.

La única diferencia es que el espacio en el disco para un proceso debe asignarse como un número integral de bloques de disco. Por lo tanto, un proceso de tamaño 13.5 k que utiliza un disco con bloques de 1k se redondeara a 14k antes de que se busquen las estructuras de datos del espacio en el disco.

4.3 MEMORIA VIRTUAL

Es aquella que permite al software usar más memoria principal que la que realmente posee el ordenador. La mayoría de los ordenadores tienen cuatro tipos de memoria: registros en la CPU, la memoria cache (tanto dentro como fuera del CPU), la memoria física (generalmente en forma de RAM, donde la CPU puede escribir y leer directa y razonablemente rápido) y el disco duro que es mucho más lento, pero también más grande y barato. 

La memoria virtual podría estar implementada por el software del sistema operativo, en la práctica casi siempre se usa una combinación de hardware y software, dado el esfuerzo extra que implicaría para el procesador. 

La ilusión de la memoria virtual está soportada por el mecanismo de traducción de memoria, junto con una gran cantidad de almacenamiento rápido en disco duro. Así en cualquier momento el espacio de direcciones virtual hace un seguimiento de tal forma que una pequeña parte de él, está en memoria real y el resto almacenado en el disco, y puede ser referenciado fácilmente. 

4.3.1 PAGINACIÓN MEMORIA VIRTUAL

Cuando la paginación se utiliza junto con memoria virtual, el sistema operativo mantiene además el conocimiento sobre qué páginas están en memoria principal y cuáles no, usando la tabla de paginación. Si una página buscada está marcada como no disponible (tal vez porque no está presente en la memoria física, pero sí en el área de intercambio), cuando la CPU intenta referenciar una dirección de memoria en esa página, la MMU responde levantando una excepción (comúnmente llamada fallo de página). Si la página se encuentra en el área de intercambio, se salta a una rutina que invoca una operación llamada un intercambio de página, para traer a memoria principal la página requerida. La operación lleva varios pasos. Primero se selecciona una página en memoria, por ejemplo una que no haya sido usada recientemente (para más detalles ver algoritmos de remplazo de páginas). Si la página fue modificada, se escribe la misma en el espacio de intercambio. El siguiente paso en el proceso es leer la información en la página necesitada desde el espacio de intercambio). Cuando esto sucede, las tablas para traducción de direcciones virtuales a reales son actualizadas para reflejar los contenidos de la memoria física. Entonces el intercambio de página sale, y el programa que usó la dirección que causó la excepción es vuelto a ejecutar desde el punto en que se dio la misma y continúa como si nada hubiera pasado. También es posible que: una dirección virtual es marcada como no disponible, porque no fue localizada previamente. En estos casos, una página de memoria es localizada y llenada con ceros, la tabla de paginación es modificada para mostrar los cambios y el programa se reinicia como en el otro caso. 

4.3.2 SEGMENTACIÓN MEMORIA VIRTUAL

Es un esquema de manejo de memoria mediante el cual la estructura del programa refleja su división lógica; llevándose a cabo una agrupación lógica de la información en bloques de tamaño variable denominados segmentos. Cada uno de ellos tienen información lógica del programa: subrutina, arreglo, etc. Luego, cada espacio de direcciones de programa consiste de una colección de segmentos, que generalmente reflejan la división lógica del programa. La segmentación permite alcanzar los siguientes objetivos:

1. Modularidad de programas: cada rutina del programa puede ser un bloque sujeto a cambios y recopilaciones, sin afectar por ello al resto del programa.
2. Estructuras de datos de largo variable: eje. Stack, donde cada estructura tiene su propio tamaño y este puede variar.
3. Protección: se puede proteger los módulos del segmento contra accesos no autorizados.
4. Comparación: dos o más procesos pueden ser un mismo segmento, bajo reglas de protección; aunque no sean propietarios de los mismos.
5. Enlace dinámico entre segmentos: puede evitarse realizar todo el proceso de enlace antes de comenzar a ejecutar un programa. Los enlaces se establecerán solo cuando sea necesario.

4.3.3 ALGORITMOS DE SUSTITUCIÓN DE PÁGINAS.

Cuando ocurre una falla de página, el sistema operativo tiene que escoger la página que sacará de la memoria para que pueda entrar la nueva página. Si la página que se eliminará fue modificada mientras estaba en la memoria, se debe rescribir en el disco a fin de actualizar la copia del disco, pero si no fue así, la copia en disco ya estará actualizada y no será necesario reescribirla. La nueva página simplemente sobrescribe la que está siendo desalojada. 

Algoritmo de remplazo de páginas óptimo: Solo dicen que se debe eliminar la página que tenga el rótulo más alto. Si una página no se va a usar sino hasta después de 8 millones de instrucciones y otra página no se usará sino hasta después de 6 millones de instrucciones, el desalojo de la primera postergará la falla de página que la traerá de nuevo a la memoria lo más lejos hacia el futuro que es posible. 

4.3.4 ASPECTOS DE DISEÑO PARA EL SISTEMA

·         El modelo de conjunto de trabajo

En la forma más pura de paginación, los procesos se inician con ninguna de sus páginas en la memoria. Tan pronto como la CPU trata de obtener la primera instrucción, detecta una falla página que hace que el sistema operativo traiga a la memoria la página que contiene dicha instrucción. Por lo regular, pronto ocurren otras fallas de página al necesitarse variables globales y la pila. Después de un tiempo, el proceso tiene la mayor parte de las páginas que necesita y se dedica a ejecutarse con relativamente pocas fallas de página. Tal estrategia se denomina paginación por demanda porque las páginas se cargan sólo cuando se piden, no por adelantado.

·         Tamaño de página

En muchos casos, el tamaño de página es un parámetro que el sistema operativo puede escoger. Incluso si el hardware se diseñó con páginas de, por ejemplo, 512 bytes, el sistema operativo fácilmente puede considerar las páginas O y l, 2 y 3, 4 y 5,etc., como páginas de 1K asignando siempre dos marcos de página de 512 bytes consecutivos a ellas. La determinación del tamaño de página óptimo requiere balancear varios factores opuestos.

4.3.5 LIBERACIÓN DE PÁGINAS 

Un proceso usuario puede emitir una “liberación voluntaria de página” para liberar el marco de página cuando ya no necesitara esa página.

Se puede eliminar el “desperdicio” y acelerar la ejecución.

El inconveniente es que la incorporación de mandatos de liberación de páginas dentro de los programas de usuarios puede ser peligrosa y retrasar el desarrollo de aplicaciones.