3 ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA La memoria principal (RAM) es un importante recurso que debe administrarse con cuidado. Aun
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3 ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA
La memoria principal (RAM) es un importante recurso que debe administrarse con cuidado. Aunque actualmente una computadora doméstica promedio tiene 10,000 veces más memoria que la IBM 7094, la computadora más grande en el mundo a principios de la década de 1960, los programas están creciendo con más rapidez que las memorias. Parafraseando la ley de Parkinson diría que “los programas se expanden para llenar la memoria disponible para contenerlos”. En este capítulo estudiaremos la forma en que los sistemas operativos crean abstracciones de la memoria y cómo las administran. Lo que todo programador quisiera es una memoria privada, de tamaño y rapidez infinitas, que también sea no volátil, es decir, que no pierda su contenido cuando se desconecta de la potencia eléctrica. Y ya que estamos en ello, ¿por qué no hacerla barata también? Por desgracia, la tecnología no proporciona tales memorias en estos momentos. Tal vez usted descubra cómo hacerlo. ¿Cuál es la segunda opción? A través de los años se ha elaborado el concepto de jerarquía de memoria, de acuerdo con el cual, las computadoras tienen unos cuantos megabytes de memoria caché, muy rápida, costosa y volátil, unos cuantos gigabytes de memoria principal, de mediana velocidad, a precio mediano y volátil, unos cuantos terabytes de almacenamiento en disco lento, económico y no volátil, y el almacenamiento removible, como los DVDs y las memorias USB. El trabajo del sistema operativo es abstraer esta jerarquía en un modelo útil y después administrarla. La parte del sistema operativo que administra (parte de) la jerarquía de memoria se conoce como administrador de memoria. Su trabajo es administrar la memoria con eficiencia: llevar el registro de cuáles partes de la memoria están en uso, asignar memoria a los procesos cuando la necesiten y desasignarla cuando terminen. 175
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ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA
CAPÍTULO 3
En este capítulo investigaremos varios esquemas distintos de administración de memoria, que varían desde muy simples hasta muy sofisticados. Como generalmente el hardware es el que se encarga de administrar el nivel más bajo de memoria caché, en este capítulo nos concentraremos en el modelo del programador de la memoria principal y en cómo se puede administrar bien. Las abstracciones y la administración del almacenamiento permanente, el disco, son el tema del siguiente capítulo. Analizaremos primero los esquemas más simples posibles y después progresaremos de manera gradual hacia esquemas cada vez más elaborados.
3.1 SIN ABSTRACCIÓN DE MEMORIA La abstracción más simple de memoria es ninguna abstracción. Las primeras computadoras mainframe (antes de 1960), las primeras minicomputadoras (antes de 1970) y las primeras computadoras personales (antes de 1980) no tenían abstracción de memoria. Cada programa veía simplemente la memoria física. Cuando un programa ejecutaba una instrucción como MOV REGISTRO1, 1000 la computadora sólo movía el contenido de la ubicación de memoria física 1000 a REGISTRO1. Así, el modelo de programación que se presentaba al programador era simplemente la memoria física, un conjunto de direcciones desde 0 hasta cierto valor máximo, en donde cada dirección correspondía a una celda que contenía cierto número de bits, comúnmente ocho. Bajo estas condiciones, no era posible tener dos programas ejecutándose en memoria al mismo tiempo. Si el primer programa escribía un nuevo valor en, por ejemplo, la ubicación 2000, esto borraría cualquier valor que el segundo programa estuviera almacenando ahí. Ambos programas fallarían de inmediato. Incluso cuando el modelo de memoria consiste en sólo la memoria física hay varias opciones posibles. En la figura 3-1 se muestran tres variaciones. El sistema operativo puede estar en la parte inferior de la memoria en la RAM (Random Access Memory, Memoria de acceso aleatorio), como se muestra en la figura 3-1(a), puede estar en la ROM (Read Only Memory, Memoria de sólo lectura) en la parte superior de la memoria, como se muestra en la figura 3-1(b), o los controladores de dispositivos pueden estar en la parte superior de la memoria en una ROM y el resto del sistema en RAM más abajo, como se muestra en la figura 3-1(c). El primer modelo se utilizó antes en las mainframes y minicomputadoras, pero actualmente casi no se emplea. El segundo modelo se utiliza en algunas computadoras de bolsillo y sistemas integrados. El tercer modelo fue utilizado por las primeras computadoras personales (por ejemplo, las que ejecutaban MS-DOS), donde la porción del sistema en la ROM se conoce como BIOS (Basic Input Output System, Sistema básico de entrada y salida). Los modelos (a) y (c) tienen la desventaja de que un error en el programa de usuario puede borrar el sistema operativo, posiblemente con resultados desastrosos (la información del disco podría quedar ininteligible). Cuando el sistema se organiza de esta forma, por lo general se puede ejecutar sólo un proceso a la vez. Tan pronto como el usuario teclea un comando, el sistema operativo copia el programa solicitado del disco a la memoria y lo ejecuta. Cuando termina el proceso, el sistema operativo mues-
SECCIÓN 3.1
SIN ABSTRACCIÓN DE MEMORIA 0xFFF …
Drivers de dispositivos en ROM
Sistema operativo en ROM
Programa de usuario
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Programa de usuario Programa de usuario
Sistema operativo en RAM
Sistema operativo en RAM 0
(a)
0 (b)
0 (c)
Figura 3-1. Tres formas simples de organizar la memoria con un sistema operativo y un proceso de usuario. También existen otras posibilidades.
tra un carácter indicador de comando y espera un nuevo comando. Cuando recibe el comando, carga un nuevo programa en memoria, sobrescribiendo el primero. Una forma de obtener cierto grado de paralelismo en un sistema, sin abstracción de memoria, es programar con múltiples hilos. Como se supone que todos los hilos en un proceso ven la misma imagen de memoria, el hecho de que se vean obligados a hacerlo no es un problema. Aunque esta idea funciona, es de uso limitado ya que lo que las personas desean a menudo es que los programas no relacionados se ejecuten al mismo tiempo, algo que la abstracción de los hilos no provee. Además, es muy poco probable que un sistema tan primitivo como para no proporcionar una abstracción de memoria proporcione una abstracción de hilos. Ejecución de múltiple programas sin una abstracción de memoria No obstante, aun sin abstracción de memoria es posible ejecutar varios programas al mismo tiempo. Lo que el sistema operativo debe hacer es guardar todo el contenido de la memoria en un archivo en disco, para después traer y ejecutar el siguiente programa. Mientras sólo haya un programa a la vez en la memoria no hay conflictos. Este concepto, el intercambio, se analiza a continuación. Con la adición de cierto hardware especial es posible ejecutar múltiples programas concurrentemente, aun sin intercambio. Los primeros modelos de la IBM 360 resolvieron el problema de la siguiente manera: la memoria estaba dividida en bloques de 2 KB y a cada uno se le asignaba una llave de protección de 4 bits, guardada en registros especiales dentro de la CPU. Un equipo con una memoria de 1 MB sólo necesitaba 512 de estos registros de 4 bits para totalizar 256 bytes de almacenamiento de la llave. El registro PSW (Program Status Word, Palabra de estado del programa) también contenía una llave de 4 bits. El hardware de la 360 controlaba mediante un trap cualquier intento por parte de un proceso en ejecución de acceder a la memoria con un código de protección distinto del de la llave del PSW. Como sólo el sistema operativo podía modificar las llaves de protección, los procesos de usuario fueron controlados para que no interfirieran unos con otros, ni con el mismo sistema operativo.
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CAPÍTULO 3
Sin embargo, esta solución tenía una gran desventaja, que se ilustra en la figura 3-2. Como muestran las figuras 3-2(a) y (b), se tienen dos programas, cada uno con un tamaño de 16 KB. El primero está sombreado para indicar que tiene una llave de memoria diferente a la del segundo y empieza saltando a la dirección 24, que contiene una instrucción MOV; el segundo, saltando a la dirección 28, que contiene una instrucción CMP. Las instrucciones que no son relevantes para este análisis no se muestran. Cuando los dos programas se cargan consecutivamente en la memoria, empezando en la dirección 0, tenemos la situación de la figura 3-2(c). Para este ejemplo, suponemos que el sistema operativo está en la parte alta de la memoria y no se muestra.
0 .. . ADD MOV
JMP 24 (a)
16380
28 24 20 16 12 8 4 0
0 .. . CMP
JMP 28 (b)
16380
28 24 20 16 12 8 4 0
0 .. .
32764
CMP
16412 16408 16404 16400 16396 16392 16388 16384 16380
JMP 28 0 .. . ADD MOV
JMP 24
28 24 20 16 12 8 4 0
(c)
Figura 3-2. Ilustración del problema de reubicación. (a) Un programa de 16 KB. (b) Otro programa de 16 KB. (c) Los dos programas cargados consecutivamente en la memoria.
Una vez que los programas se cargan se pueden ejecutar. Como tienen distintas llaves de memoria, ninguno de los dos puede dañar al otro. Pero el problema es de una naturaleza distinta. Cuando se inicia el primer programa, ejecuta la instrucción JMP 24, que salta a la instrucción, como se espera. Este programa funciona de manera normal. Sin embargo, después de que el primer programa se ha ejecutado el tiempo suficiente, el sistema operativo tal vez decida ejecutar el segundo programa, que se carga encima del primero, en la dirección 16,384. La primera instrucción ejecutada es JMP 28, que salta a la instrucción ADD en el primer programa, y no a la instrucción CMP a la que se supone debe saltar. Es muy probable que el programa falle en menos de 1 segundo.
SECCIÓN 3.2 UNA ABSTRACCIÓN DE MEMORIA: ESPACIOS DE DIRECCIONES
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El problema central aquí es que los dos programas hacen referencia a la memoria física absoluta. Eso, definitivamente, no es lo que queremos; deseamos que cada programa haga referencia a un conjunto privado de direcciones locales para él. En breve le mostraremos cómo se logra esto. Lo que la IBM 360 hacía como solución para salir del paso era modificar el segundo programa al instante, a medida que se cargaba en la memoria, usando una técnica conocida como reubicación estática. Esta técnica funcionaba así: cuando se cargaba un programa en la dirección 16,384, se sumaba el valor constante 16,384 a todas las direcciones del programa durante el proceso de carga. Aunque este mecanismo funciona si se lleva a cabo en la forma correcta, no es una solución muy general y reduce la velocidad de la carga. Lo que es más, se requiere información adicional en todos los programas ejecutables para indicar cuáles palabras contienen direcciones (reubicables) y cuáles no. Después de todo, el “28” en la figura 3-2(b) tiene que reubicarse, pero una instrucción como MOV REGISTRO1, 28 que mueve el número 28 a REGISTRO1 no se debe reubicar. El cargador necesita cierta forma de saber qué es una dirección y qué es una constante. Por último, como recalcamos en el capítulo 1, la historia tiende a repetirse en el mundo de las computadoras. Mientras que el direccionamiento directo de la memoria física está muy lejos de poder aplicarse en las mainframes, minicomputadoras, computadoras de escritorio y notebooks, la falta de una abstracción de memoria sigue siendo común en los sistemas integrados y de tarjeta inteligente. En la actualidad, los dispositivos como las radios, las lavadoras y los hornos de microondas están llenos de software (en ROM), y en la mayoría de los casos el software direcciona memoria absoluta. Esto funciona debido a que todos los programas se conocen de antemano, y los usuarios no tienen la libertad de ejecutar su propio software en su tostador. Mientras que los sistemas integrados de alta tecnología (como los teléfonos celulares) tienen sistemas operativos elaborados, los más simples no. En algunos casos hay un sistema operativo, pero es sólo una biblioteca ligada con el programa de aplicación y proporciona llamadas al sistema para realizar operaciones de E/S y otras tareas comunes. El popular sistema operativo e-cos es un ejemplo común de un sistema operativo como biblioteca.
3.2 UNA ABSTRACCIÓN DE MEMORIA: ESPACIOS DE DIRECCIONES Con todo, exponer la memoria física a los procesos tiene varias desventajas. En primer lugar, si los programas de usuario pueden direccionar cada byte de memoria, pueden estropear el sistema operativo con facilidad, ya sea intencional o accidentalmente, con lo cual el sistema se detendría en forma súbita (a menos que haya hardware especial como el esquema de bloqueo y llaves de la IBM 360). Este problema existe aun cuando sólo haya un programa de usuario (aplicación) en ejecución. En segundo lugar, con este modelo es difícil tener varios programas en ejecución a la vez (tomando turnos, si sólo hay una CPU). En las computadoras personales es común tener varios programas abiertos a la vez (un procesador de palabras, un programa de correo electrónico y un navegador Web, donde uno de ellos tiene el enfoque actual, pero los demás se reactivan con el clic de un ratón). Como esta situación es difícil de lograr cuando no hay una abstracción de la memoria física, se tuvo que hacer algo.