Architektur und Organisation von Rechnersystemen

Architektur und Organisation von
Rechnersystemen
22.05.2015
Architektur und Organisation
von Rechnersystemen
Themen heute: Zahlendarstellungen (Rest vom
letzten Termin, mit Beispielen);
Virtueller Speicher
© Ulrich Schaarschmidt, ArcOrg15_V6
FH Düsseldorf, SS 2015, / 22.05.15
Literaturhinweise

Tanenbaum, A.S.:




Computerarchitektur
5. Aufl., Pearson Education (Prentice Hall), 2006
Oberschelp, Walter; Vossen, Gottfried:

Rechneraufbau und Rechnerstrukturen

Oldenbourg, 10. Auflage 2006, mit DVD
Patterson, David A., Hennesy, John L.:


Rechnerorganisation und Rechnerentwurf (Die
Hardware/Software-Schnittstelle)
Oldenbourg, 4. Auflage 2011, mit DVD
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Literaturhinweise



Horn, C.; Kerner, I.O.; Forbrig, P.:

Lehr und Übungsbuch Informatik, Bd. 1

Fachbuchverlag Leipzig, 2001
Kellermayr, K.H.:

Technische Informatik

Springer Wien New York, 2000
Schneider, U.; Werner, D.:

Taschenbuch der Informatik

4. Aufl. Fachbuchverlag Leipzig, 2001
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Termine



Dienstag,den 2.6. findet die 2. Übung wieder
im M1 statt (wg. Senatssitzung im M14).
Die Übungen vom Donnerstag
(Fronleichnam) wird am folgenden
Donnerstag mitgemacht (genau wie nach
Himmelfahrt).
Die Klausur findet voraussichtlich am 3.8.
10:30Uhr statt
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Gleitkommaarithmetik Grundlagen
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Modell der GleitkommaAddition und -Subtraktion
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Modell der GleitkommaAddition und -Subtraktion
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Modell der GleitkommaAddition und -Subtraktion
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Modell der GleitkommaMultiplikation und -Division
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Virtualisierung
Was bringt Virtualisierung?
 Die Hardware bleibt doch
unverändert…

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Virtualisierung
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Virtueller Speicher

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„Eine Technik, die den Hauptspeicher als
„Cache“ für den Sekundärspeicher
verwendet.“ [Patterson, Hennesy]
Die ursprüngliche Motivation für eine
Abstraktion der Speicheradressen mit
virtuellen Adressen war die
Vereinheitlichung der Benutzung und die
mögliche Zusammenfassung verschiedener
Speicherquellen.
[Wikipedia]
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Virtueller Speicher – dies auch
noch…
„Simulieren von Arbeitsspeicher auf der
Festplatte (oder einem anderen
Datenträger) und umgekehrt. Dadurch
kann in beiden Fällen mehr Speicherplatz
benutzt werden, als physikalisch
vorhanden ist.“
[www.at-mix.de]
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Virtueller Speicher- z.B. Bei
Windows
„Windows schafft virtuellen
Arbeitsspeicher, indem Teile der im RAM
gespeicherten Daten auf der Festplatte
ausgelagert und bei Bedarf wieder
eingelesen werden (Auslagerungsdatei).“
[www.at-mix.de]
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Virtueller Speicher – auch dies
„Umgekehrt kann auch ein Datenträger durch ein
virtuelles Laufwerk simuliert werden. Dies ist eine
RAM-Disk, also ein aus Chips bestehender
Arbeitsspeicher, der wie eine Festplatte oder eine
Diskette behandelt wird.“
[www.at-mix.de]
So ein virtuelles LW ist sehr viel schneller als z.B.
eine Festplatte oder ein DVD-Laufwerk.
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Virtueller Speicher
Die virtuelle Speicherverwaltung ermöglicht auch
die Implementierung von SpeicherschutzMechanismen, zur Separierung von Programmen
untereinander (horizontale Trennung, Programme
können im Fehlerfall nicht auf Speicher anderer
Programme zugreifen) oder von Programmen vom
Betriebssystem (vertikale Hierarchie) dessen
funktionieren niemals durch fehlerhafte
Anwendungsprogramme gestört werden sollte.
[Wikipedia]
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Prinzip der virtuellen
Speicherung
[Oberschelp,Vossen]
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Funktionsprinzip der virtuellen
Speicherung
Seite 0
Seite 1
Seite 2
…
Seitentabelle
Seite n
logische
Adresse
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physikalische
Adresse im
Hauptspeicher
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Sekundärspeicher
[Oberschelp,Vossen]
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Funktionsprinzip der virtuellen
Speicherung
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[Pattersen, Hennesy]
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Funktionsprinzip


Eine virtuelle Adresse beschreibt also einen Ort im
Speicher eines Computersystems, dessen Betriebssystem
eine virtuelle Speicherverwaltung zur Adressierung
verwendet. Die Gesamtheit aller virtuellen Adressen wird
auch als virtueller Adressraum bezeichnet.
Nur die Betriebssysteme, die eine virtuelle
Speicherverwaltung verwenden, können einen virtuellen
Adressraum generieren und dadurch Speicherseiten, die
physisch nicht zusammenhängend sind, für den
Programmierer bzw. das Programm als logisch
zusammenhängenden Speicherbereich abbilden.
[Wikipedia]
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Funktionsweise
Das Rechnersystem stellt jedem Prozess einen scheinbar
zusammenhängenden lokalen Speicherbereich zur Verfügung,
mit Adressen von 0 bis n-1, wobei n die Größe dieses
Speicherbereichs ist. In Wirklichkeit besteht dieser
Speicherbereich aus einzelnen Seiten definierter Größe („Pages“,
veraltet auch „Kacheln“) innerhalb des virtuellen Adressraums
der Maschine. Diese virtuellen Pages werden wiederum auf
physische Pages abgebildet, die irgendwo im physischen
Speicher oder sogar in einer Auslagerungsdatei liegen. Beim
Zugriff eines Prozesses auf eine lokale Speicheradresse ersetzt
das Betriebssystem diese durch eine virtuelle, welche von der
Memory Management Unit des Systems in die aktuelle physische
Adresse umgesetzt wird.
[Wikipedia]
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Abbildung von virtuellen auf
physikalische Adressen
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[Pattersen, Hennesy]
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Adressumsetzung beim Paging
Framenummer
Seite 0
Seite 1
Seite 2
Seite 3
virtueller
Adressraum
0
0
1
2
3
1
4
3
7
Seitentabelle
1
Seite 0
2
3
Seite 2
4
Seite 1
Offset
5
6
7
Seite 3
physikalischer
Adressraum
[Oberschelp,Vossen]
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Adressumsetzung beim Paging
[Pattersen, Hennesy]
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Adressumsetzung bei einer
Segmentierung
[Oberschelp,Vossen]
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Beispiel für die Verwendung
von Segmentierung
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[Oberschelp,Vossen] 26
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Mehrfachverwendung von
Programmen durch Segmentierung
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[Oberschelp,Vossen] 27
Beschleunigung der
Adressübersetzung durch den TLB
[Pattersen, Hennesy]
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Speicherverwaltung
Der durch die Gesamtheit aller möglichen virtuellen
Adressen definierte virtuelle Adressraum, der den virtuellen
Speicher bildet, wird genauso wie der tatsächlich
vorhandene physische Arbeitsspeicher in gleich große
Speicherabschnitte unterteilt. Die für diese
Speicherabschnitte verwendeten deutschen Begriffe Kachel,
Speicherseite oder Seitenrahmen sind synonym. Im
Englischen wird dieser Speicherabschnitt pageframe
genannt. Eine Seite (page) des virtuellen Adressraums wird
auf eine Kachel (pageframe) des physischen Adressraums
abgebildet.
[Wikipedia]
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Speicherverwaltung



Gemeinsam sind den virtuellen
Speicherverwaltungen heutzutage folgende
Grundprinzipien:
Alle von Prozessen verwendeten Adressen
werden nur noch als virtuelle Adressen
behandelt.
Die Memory Management Unit übersetzt die
virtuellen Adressen in reale physische Adressen.
[Wikipedia]
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Erweiterung des Virtuellen
Speichers: Cloud Computing
[Wikipedia, 2011]
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6. Übungsaufgabe

(a) „Ein segmentierter Speicher bestehe
aus in Seiten unterteilten Segmenten.
Eine virtuelle Adresse der Länge 16 Bits
umfasse 3 Bits für die Segment-Nummer,
3 Bits für die Seiten-Nummer und 10 Bits
für den Offset. Bestimmen Sie die Größe
des logischen Adressraums!“
[Oberschelp/Vossen S. 362]
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6. Übungsaufgabe

(b) „Bei der Verwendung von Paging wird stets unterstellt,
dass alle Seiten eine unveränderliche (statische) Länge
haben. Hieraus resultiert, dass Teile einer Page (etwa am
„Ende“ eines logischen Adressraums bzw. eines
Programms) ungenutzt bleiben. Diese Situation ist
vermeidbar durch die Verwendung von dynamischem
Paging, bei welchem Seitengrößen nach Bedarf verändert
werden können. Überlegen Sie, wie bei einem solchen
Ansatz die Umsetzung virtueller auf reale Adressen
vorgenommen werden kann und welche Probleme
auftreten.“
[Oberschelp/Vossen S. 361]
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