4 - Gerencia de memória principal

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SISTEMAS
OPERACIONAIS
1
Gerência de Memória
Prof. Mateus Novaes
(Adaptação dos slides de Silberschatz)
SUMÁRIO
� Fundamentos
� Swapping
� Alocação contígua de memória
� Paginação
Segmentação
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� Segmentação
� Segmentação com paginação
2
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
� O programa precisa ser trazido para a memória e 
colocado dentro de um processo para que possa 
ser executado
� Fila de entrada – o conjunto de processos no disco 
que estão esperando para serem trazidos para 
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
que estão esperando para serem trazidos para 
execução na memória
� Os programas do usuário passarão por várias 
etapas antes de serem executados
� Compilação
� Carregamento
� Execução
3
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
� Associação do endereço físico de memória
� Tempo de compilação: 
� Se a posição de memória for conhecida, 
antecipadamente, então o código absoluto 
pode ser gerado
Tempo de carga: 
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� Tempo de carga: 
� Se o local da memória não for conhecido na 
compilação, será preciso gerar código 
relocável
� Tempo de execução (runtime): 
� Se o processo puder ser movido durante a 
execução então o vínculo será adiado até o 
momento da execução. É necessário o 
suporte do hardware.
4
S
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s O
p
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cio
n
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GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
S
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n
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is
5
S
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p
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cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
� Endereçamento lógico vs físico
� A resolução de endereços em tempo de compilação e 
de carga resultam em endereços lógicos e físicos 
iguais
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� A resolução em tempo de execução resultam em 
endereços lógicos e físicos diferentes
� O mapeamento de endereços lógicos em endereços 
físicos em tempo de execução é feito pelo MMU
�Memory Management Unit
6
S
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a
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p
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a
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GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
S
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7
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GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
S
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p
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GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
� Endereçamento lógico vs físico
� O usuário não vê endereços físicos reais
� Endereços lógicos
� 0 a máx
S
istem
a
s O
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era
cio
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a
is
� 0 a máx
� Endereços físicos
� Entre R+ 0 e R+max para R valor do registrador de 
relocação
� O conceito de um espaço de endereçamento lógico 
associado a um espaço de endereçamento físico é 
central a uma gerência de memória
9
S
istem
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s O
p
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cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
� Carga dinâmica
� A rotina não é carregada até ser chamada
� Melhor utilização do espaço na memória
� Uma rotina não utilizada nunca é carregada
S
istem
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s O
p
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cio
n
a
is
� Uma rotina não utilizada nunca é carregada
� Útil quando grandes quantidades de código são 
necessárias para tratar de casos que não ocorram com 
freqüência.
� Nenhum suporte especial do sistema operacional é 
necessário
� Implementado pelo projeto do programa
10
S
istem
a
s O
p
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n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
� Ligação dinâmica e bibliotecas compartilhadas
� Ligação estática carrega biblioteca na compilação
� Ligação dinâmica o link é adiado até o tempo de 
execução
� Pequeno segmento de código, stub, usado para 
S
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a
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p
era
cio
n
a
is
� Pequeno segmento de código, stub, usado para 
localizar a rotina correta na biblioteca residente na 
memória
� O sistema operacional precisa verificar se a rotina 
está no endereço de memória dos processos
� É particularmente útil para bibliotecas
11
S
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cio
n
a
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GERENCIA DE MEMÓRIA
FUNDAMENTOS
� Overlays
� Utilizado quando a quantidade de memória reservada 
para o processo é menor do que o necessário
� Mantém na memória somente o necessário no 
momento
S
istem
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p
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a
is
� Implementado pelo usuário
� Ex:
Passo 1 70K
Passo 2 80K
Tabela de símbolos 20K
Rotinas comuns 30K
12
S
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is
GERENCIA DE MEMÓRIA
SWAPPING
� Um processo pode ser retirado temporariamente 
da memória para um armazenamento auxiliar
� swaped-out e swaped-in
� Disco rápido e grande o suficiente para acomodar 
cópias de todas as imagens da memória para todos os 
S
istem
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s O
p
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cio
n
a
is
cópias de todas as imagens da memória para todos os 
usuários
� Num escalonamento round-robin ao acabar o 
quantum o processo seria descarregado no disco e 
outro processo seria carregado na memoria
� Num escalonamento de prioridade um processo 
de maior prioridade tiraria um processo de menor 
prioridade da memória 13
S
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GERENCIA DE MEMÓRIA
SWAPPING
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n
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14
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GERENCIA DE MEMÓRIA
SWAPPING
� Se a resolução de endereço for a nível de 
compilação ou carga o processo precisa voltar 
para a mesma posição de memória
S
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GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
� A memória normalmente é dividida em duas 
partes: 
� Sistema operacional residente, em geral mantido na 
memória baixa com o vetor de interrupção
� Processos do usuário, mantidos na memória alta
S
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a
is
� Alocação de partição única
� O esquema de registrador de relocação é usado para 
proteger os processos do usuário uns dos outros e da 
alteração de código e dados do sistema operacional
� O registrador de relocação contém o valor do menor 
endereço físico
� O registrador de limite contém o intervalo de 
endereços lógicos
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GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
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GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
� Alocação de múltipla partição
� Espaço livre – bloco de memória disponível
� Quando chega um processo, ele recebe alocação de 
memória de um espaço livre grande o suficiente para 
S
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n
a
is
memória de um espaço livre grande o suficiente para 
acomodá-lo
� O sistema operacional mantém informações sobre:
a) partições alocadas b) partições livres
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S
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a
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GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
S
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a
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n
a
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OS
process 5
OS
process 5
OS
process 5
OS
process 5
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cio
n
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process 5
process 8
process 2
process 5
process 2
process 5
process 2
process 5
process 9
process 2
process 9
process 10
GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
� Alocação de múltipla partição
� Espaço livre – bloco de memória disponível
� Quando chega um processo, ele recebe alocação de 
memória de um espaço livre grande o suficiente para 
S
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a
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p
era
cio
n
a
is
memória de um espaço livre grande o suficiente para 
acomodá-lo
� O sistema operacional mantém informações sobre:
a) partições alocadas b) partições livres
20
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cion
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is
GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
� Existem algumas estratégias de alocação:
� First-Fit: Aloca o primeiro vão que tenha tamanho 
suficiente 
� Best-Fit: Aloca o menor vão que seja grande o 
suficiente e é necessário procurar a lista inteira, a 
menos que esteja ordenada por tamanho. Produz o 
S
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cio
n
a
is
menos que esteja ordenada por tamanho. Produz o 
menor espaço livre restante
� Worst-Fit: Aloca o maior espaço e também é 
necessário procurar a lista inteira. Produz o maior 
espaço livre restante.
� First-Fit e Best-Fit são melhores que Worst-Fit
em termos de velocidade e utilização de memória.
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S
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GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
� Tipos de fragmentação:
� Fragmentação externa – espaço de memória total 
suficiente para satisfazer a uma requisição, mas ele 
não é contíguo.
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� Fragmentação interna – a memória alocada pode ser 
ligeiramente maior do que a memória requisitada; 
essa diferença de tamanho é a memória que é interna 
a uma partição, mas que não está sendo usada
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GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
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S
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GERENCIA DE MEMÓRIA
ALOCAÇÃO CONTÍGUA DE MEMÓRIA
� Reduzir a fragmentação externa por compactação
� Reorganizar o conteúdo da memória de modo a 
colocar toda a memória livre junta em um 
grande e único bloco 
� A compactação é possível apenas se a relocação
for dinâmica e feita em tempo de execução 
S
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cio
n
a
is
A compactação é possível apenas se a relocação
for dinâmica e feita em tempo de execução 
� O problema da E/S
�Segurar a tarefa na memória enquanto está 
envolvida na E/S
�Realizar E/S somente nos buffers do sistema 
operacional
24
S
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a
s O
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cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� O espaço de endereços lógicos de um processo 
pode ser não contíguo
� Um processo pode utilizar vários “pedaços” de 
memória disponível
S
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is
� Divide a memória física em blocos de tamanho 
fixo, chamados frames
� Divide a memória lógica em blocos de mesmo 
tamanho, chamados páginas
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a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� O S.O. tem controle de todos os frames livres
� Um programa de n páginas, precisa de n frames 
disponíveis
S
istem
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p
era
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n
a
is� Define uma tabela de página para traduzir 
endereços lógicos em físicos
� Não gera fragmentação externa, mas gera 
fragmentação interna.
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a
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GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
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is
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S
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a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� O endereço lógico agora é dividido em:
� Número de página (p) – Usado como um índice para a 
tabela de página, que contém o endereço de base de 
cada página na memória física
� Deslocamento de página (d) – Combinado com o 
endereço de base para definir o endereço da memória 
S
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a
s O
p
era
cio
n
a
is
endereço de base para definir o endereço da memória 
física que é enviado para a unidade de memória
� Tamanho de endereço lógico: 2m
� Tamanho de página: 2n 28
S
istem
a
s O
p
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cio
n
a
is
page number page offset
p d
m - n n
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
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a
s O
p
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cio
n
a
is
29
S
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a
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GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
istem
a
s O
p
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cio
n
a
is
30
S
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a
s O
p
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cio
n
a
is
32-bytes de memória e 4-bytes de página
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
istem
a
s O
p
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cio
n
a
is
31
S
istem
a
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p
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n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� O sistema operacional aloca uma tabela de 
página para cada processo
� Um ponteiro para tabela de página é armazenada 
no PCB do processo
� No caso mais simples, a tabela de página é 
S
istem
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p
era
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n
a
is
� No caso mais simples, a tabela de página é 
implementada com um conjunto de registradores 
dedicados
� O uso dos registradores é satisfatório se a tabela 
de página for razoavelmente pequena (até 256 
entradas)
32
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� Em outro caso a tabela é mantida na memória 
principal
� Um registrador aponta para a tabela na memória
� Page-table base register (PTBR)
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� Page-table base register (PTBR)
� São necessários dois acessos a memória para 
acessar o dado desejado
� Um acesso para a tabela e outro para o dado
33
S
istem
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s O
p
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cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� O acesso duplo a memória pode ser resolvido com 
o uso de um cache de procura rápida
� Registradores associativos ou Translation Lookup-
aside buffers (TLBs)
� O número de página é comparado com todas as 
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� O número de página é comparado com todas as 
chaves ao mesmo tempo
� Hardware caro
� O acesso completo usando TLBs leva menos de 10% a 
mais do tempo de um acesso direto
� Caso a entrada não seja encontrada a tabela de 
página é consultada
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S
istem
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s O
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n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
istem
a
s O
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n
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is
35
S
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a
s O
p
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n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� A proteção de memória é implementada 
associando um bit de proteção a cada frame
� Bit válido-inválido é anexado a cada entrada na 
tabela de página:
� “válido” indica que a página associada está no espaço 
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� “válido” indica que a página associada está no espaço 
de endereços lógicos do processo e, portanto, é uma 
página legal (ou válida)
� “inválido” indica que a página não está no espaço de 
endereços lógicos do processo
� Alguns sistemas fornecem hardware específico 
para proteção
� Page-table length register – PTLR 36
S
istem
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s O
p
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cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
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a
s O
p
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cio
n
a
is
37
S
istem
a
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p
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cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� Paginação multinível
� Um endereço lógico de 32 bits é dividido em:
� 20 bits que indicam o número da página
� 12 bits que indicam o deslocamento da página
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� Como a tabela de página é paginada o número da 
página é novamente dividida em:
� Um número de página de 10 bits
� Um offset de página de 10 bits
� Então o endereço lógico fica dividido em:
38
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
page number page offset
pi p2 d
10 10 12
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
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a
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p
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cio
n
a
is
39
S
istem
a
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p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� Tabela de página invertida
� Como cada processo tem sua tabela de página a 
quantidade de memória gasta com essa alocação é 
grande
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� Uma solução é o uso de uma tabela de página 
invertida
� Cada entrada na tabela invertida se refere a uma página 
real com informações sobre o processo proprietário
� Diminui a quantidade de memória utilizada, mas 
aumenta o tempo de busca pela página
40
S
istem
a
s O
p
eracio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
41
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
� Páginas compartilhadas
� Alguns dados são compartilhados entre processos, 
assim é importante compartilhar páginas entre 
processos
S
istem
a
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p
era
cio
n
a
is
� Código compartilhado
� A página compartilhada deve possuir o mesmo endereço 
lógico para todos os processos
� Código e dados privados
� O código e dos dados podem aparecer em qualquer lugar no 
espaço de endereçamento lógico
42
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO
S
istem
a
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p
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cio
n
a
is
43
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
� Esquema de gerenciamento de memória que 
suporta visão da memória pelo usuário
� Um programa é um conjunto de segmentos, sendo 
cada segmento uma unidade lógica como:
� programa principal
procedimento 
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� procedimento 
� função
� método
� objeto
� variáveis locais, variáveis globais
� bloco comum
� pilha
� tabela de símbolos, arrays 44
S
istem
a
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p
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n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
S
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a
s O
p
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n
a
is
1
2
1
4
45
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a
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p
era
cio
n
a
is3
4
2
3
user space physical memory space
GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
� O endereço lógico consiste em uma tupla:
� <número-segmento, deslocamento>
� Tabela de segmentos – mapeia endereços físicos 
bidimensionais, cada entrada da tabela possui:
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
bidimensionais, cada entrada da tabela possui:
� base – contém o endereço físico inicial onde o 
segmento reside na memória 
� limite – especifica a extensão do segmento 
46
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
� Registrador de base da tabela de segmentos 
(STBR) aponta para o local da tabela de 
segmentos na memória
� Registrador de extensão da tabela de segmentos 
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
� Registrador de extensão da tabela de segmentos 
(STLR) indica o tamanho do segmento usados por 
um programa
� O tamanho do segmento s é válido se s < STLR.
47
S
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n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
S
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48
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GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
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a
is
49
S
istem
a
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p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
� Proteção e compartilhamento
� Os segmentos podem ter bits de proteção, que os 
definem como somente leitura, dados ou somente 
execução
� Compartilhamento de código ocorre no nível do 
segmento
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
segmento
� Como os segmentos variam em extensão, a alocação 
de memória é um problema de alocação de 
armazenamento dinâmico
� Best-fit ou first-fit
� Fragmentação externa
� Compactação
50
S
istem
a
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p
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cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
SEGMENTAÇÃO
S
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a
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n
a
is
51
S
istem
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n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO COM SEGMENTAÇÃO
� Pode-se utilizar um esquema de paginação com 
segmentação
� O espaço de endereçamento do usuário é 
quebrado em segmentos
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
quebrado em segmentos
� Cada segmento é então quebrado em páginas de 
tamanho fixo (igual ao tamanho do quadro)
� Associado ao processo estão uma tabela de 
segmentos e para cada segmento uma tabela de 
páginas 52
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO COM SEGMENTAÇÃO
� O endereço lógico é então dividido em uma parte 
para endereçar o segmento e outra para o 
deslocamento
� O endereço do segmento é então traduzido para um 
endereço onde está sua tabela de páginas
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
endereço onde está sua tabela de páginas
� O deslocamento é então dividido em mais duas partes
� Uma parte que indica qual a página se deseja acessar
� Outra indica o deslocamento dentro daquela página
53
S
istem
a
s O
p
era
cio
n
a
is
GERENCIA DE MEMÓRIA
PAGINAÇÃO COM SEGMENTAÇÃO
S
istem
a
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era
cio
n
a
is
54
S
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a
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