Leistung von 2-Level-Paging
Ein zweistufiges Paging-System, manchmal auch als hierarchisches Paging bezeichnet, ist eine Möglichkeit, virtuelle Adressen in physische Adressen in einem Computersystem mit viel physischem Speicher zu übersetzen.
Die Seitentabelle ist in einem zweistufigen Paging-Schema in zwei Abschnitte unterteilt: eine Seitentabelle auf der obersten Ebene und eine Seitentabelle auf der untersten Ebene. Zeiger auf die Seitentabellen der untersten Ebene sind in der Seitentabelle der obersten Ebene vorhanden. Ein Teil des virtuellen Adressraums wird einer Komponente des physischen Adressraums in jeder Seitentabelle der untersten Ebene zugeordnet.
Der Prozessor verwendet zunächst die Seitennummer, um in die Seitentabelle der obersten Ebene zu indizieren, wenn ein Prozess eine virtuelle Adresse erzeugt. Ein Zeiger auf die Seitentabelle der untersten Ebene, die die virtuelle Adresszuordnung enthält, kann im resultierenden Element in der Seitentabelle der obersten Ebene gefunden werden. Die CPU greift dann mithilfe des Seitenoffsets auf die Seitentabelle der untersten Ebene zu, um sie zu indizieren und die physische Adresse abzurufen.
Der Speicheraufwand des Betriebssystems und die Größe der Seitentabelle werden durch die zweistufige Paging-Strategie verringert. Durch die Verkürzung der zum Durchsuchen der Seitentabelle benötigten Zeit wird auch die Geschwindigkeit des Systems erhöht.
Funktionsweise von 2-Level-Paging
Um virtuelle Adressen in physische Adressen umzuwandeln, wird eine zweistufige Seitentabelle verwendet, um den virtuellen Speicher in Seiten fester Größe aufzuteilen. Eine Liste von Seitentabelleneinträgen, die zur zweiten Ebene der Seitentabelle führen, befindet sich möglicherweise auf der ersten Ebene der Seitentabelle, die manchmal auch als Seitenverzeichnis bezeichnet wird. Auf der zweiten Ebene der Seitentabelle, auch Seitentabelle genannt, befindet sich eine Liste von Seitentabelleneinträgen, die virtuelle Adressen in physische Adressen umwandeln.
Wenn ein Programm auf den Speicher zugreift, sucht der Prozessor in der ersten Ebene der Seitentabelle nach dem Element, das der virtuellen Adresse entspricht. In diesem Eintrag finden Sie einen Verweis auf die zweite Ebene der Seitentabelle. Das mit der virtuellen Adresse übereinstimmende Seitentabellenelement wird dann vom Prozessor lokalisiert, indem er die zweite Ebene der Seitentabelle durchsucht. In diesem Eintrag wird die physische Adresse aufgeführt, die mit der virtuellen Adresse übereinstimmt.
Leistungskennzahlen
Zur Beurteilung der Wirksamkeit von 2-Level-Paging können verschiedene Leistungsindikatoren herangezogen werden. Die Seitenfehlerrate ist ein entscheidendes Maß. Dabei wird gezählt, wie oft ein Programm versucht, auf eine Seite zuzugreifen, die von der Disc eingelagert werden muss, weil sie sich physisch nicht im Speicher befindet. Das System verbringt möglicherweise zu viel Zeit damit, Seiten in den Speicher und aus dem Speicher zu wechseln, was bei einer hohen Seitenfehlerrate die Systemleistung beeinträchtigen könnte.
Die TLB-Trefferquote ist ein weiteres entscheidendes Maß. Diese Summe stellt den Anteil der Speicherzugriffe dar, die vom TLB (Translation Lookaside Buffer) verarbeitet werden. Um einen schnelleren Speicherzugriff zu ermöglichen, ist der TLB ein Cache, der zuvor verwendete Seitentabelleneinträge speichert. Eine hohe TLB-Trefferquote kann ein Zeichen dafür sein, dass das System den TLB effektiv nutzt und schnell auf den Speicher zugreift.
Eine weitere wichtige Leistungsmetrik ist der Speicher-Overhead. Dadurch wird berechnet, wie viel RAM zum Speichern der Seitentabellen erforderlich ist. Ein hoher Speicheraufwand kann bedeuten, dass das System Seitentabellen in zu viel Speicher speichert, wodurch die für Anwendungen verfügbare Speichermenge verringert wird.
Formeln zur Berechnung der Leistung beim 2-Level-Paging
Zur Beurteilung der Speichersystemleistung eines Computers können eine Reihe von Indikatoren herangezogen werden, darunter die durchschnittliche Zugriffszeit, die Trefferquote und die Fehlerquote. Mit den folgenden Formeln können einige dieser Leistungskennzahlen für ein zweistufiges Paging-System ermittelt werden.
Durchschnittliche Speicherzugriffszeit
AMAT= (t1+t2 ×p) + (t3+t4 ×q)
Wo −
t1 ist die Zeit für den Zugriff auf die Seitentabelle der ersten Ebene
t2 ist die Zeit für den Zugriff auf einen Seitentabelleneintrag der zweiten Ebene
p ist die Wahrscheinlichkeit eines Seitentabellentreffers der ersten Ebene
t3 ist die Zeit für den Zugriff auf die Speicherseite
-
t4 ist die Zeit zum Aktualisieren eines Seitentabelleneintrags
q ist die Wahrscheinlichkeit eines Seitentabellentreffers der zweiten Ebene
Trefferquote der Seitentabelle der ersten Ebene
p=1-q
Dabei ist q die Trefferquote der Seitentabelle der zweiten Ebene.
Trefferquote der Seitentabelle der zweiten Ebene
q=1-(1/S)×(1-H)
wo −
S ist die Anzahl der Einträge in einer Seitentabelle der zweiten Ebene
H ist die Trefferquote einer Speicherseite in der Seitentabelle der zweiten Ebene
Trefferquote der Speicherseite
H=1-(1/F)^((1/B) )
wo −
F ist die Anzahl der Bilder im Speicher
B ist die Anzahl der Seitentabelleneinträge, die in einen Speicherrahmen passen
Beachten Sie, dass es sich bei diesen Berechnungen um Näherungswerte handelt und nicht alle Elemente berücksichtigen, die sich auf die Leistung eines Paging-Systems auswirken können, einschließlich Seitenersetzungstechniken, Caching und TLB-Caching.
Anwendungen aus der Praxis
Die Effizienz des zweistufigen Paging, allgemein als zweistufiges Paging des virtuellen Speichers bezeichnet, ist eine entscheidende Komponente der Computerarchitektur mit mehreren praktischen Einsatzmöglichkeiten. Der virtuelle Adressraum eines Prozesses wird beim 2-Level-Paging in ein Seitenverzeichnis und eine Seitentabelle aufgeteilt. Dadurch ist es möglich, Speicherressourcen effektiv zu verwalten und Prozesse voneinander zu trennen.
Zweistufiges Paging wird häufig in modernen Betriebssystemen wie Windows, Linux und macOS verwendet. Die Speicherressourcen aktiver Prozesse werden von diesen Systemen über 2-Level-Paging verwaltet.
Das Betriebssystem kann sicherstellen, dass jeder Prozess nur Zugriff auf seinen eigenen Speicherbereich hat und den Speicher anderer Prozesse nicht beeinträchtigen kann, indem es den virtuellen Adressraum jedes Prozesses in verschiedene Seitenverzeichnisse und Tabellen partitioniert. Dies erhöht die allgemeine Sicherheit und Stabilität des Systems.
Virtuelle Maschinen sind eine weitere Einstellung für 2-Level-Paging. Um Speicherressourcen auf mehrere Gastbetriebssysteme zu verteilen, die auf einer einzelnen physischen Maschine ausgeführt werden, verwenden virtuelle Maschinen zweistufiges Paging.
Das jedem Gastbetriebssystem zugewiesene Seitenverzeichnis und die Tabelle ermöglichen eine effektive Speicherverwaltung und separate Sicherheit für jedes Gastsystem von den anderen.
Darüber hinaus kann 2-Level-Paging in Echtzeitanwendungen und eingebetteten Systemen eingesetzt werden, bei denen die Speicherressourcen häufig begrenzt sind.
Diese Systeme können ihren verfügbaren Speicher durch den Einsatz von 2-Level-Paging effektiv verwalten, was auch garantiert, dass wichtige Prozesse über die Ressourcen verfügen, die sie für eine ordnungsgemäße Funktion benötigen.
In einem breiten Spektrum von Computeranwendungen ist die Effektivität von 2-Level-Paging eine Schlüsselkomponente für die effiziente und sichere Nutzung von Speicherressourcen.
Zukünftige Arbeit
Die Leistung des 2-Level-Paging muss noch deutlich verbessert werden. Zukünftige Studien sollten die Auswirkungen verschiedener Seitentabellenanordnungen untersuchen. Beispielsweise können Forscher die Auswirkungen der Verwendung von Seitentabellen mit mehr als zwei Schichten oder einer Hybridstrategie untersuchen, die Paging mit anderen Speicherverwaltungsstrategien kombiniert.
Zukünftige Studien sollten auch die Auswirkungen verschiedener Seitenbreiten untersuchen. Die Leistung des Systems kann durch die Größe der beim 2-Level-Paging verwendeten Seiten erheblich beeinträchtigt werden. Um die beste Seitengröße für verschiedene Anwendungen zu ermitteln, könnten Forscher die Auswirkungen der Verwendung kleinerer oder größerer Seitengrößen untersuchen.
Abschluss
Zusammenfassend ist 2-Level-Paging ein wesentlicher Bestandteil der modernen Speicherverwaltung. Es bietet verschiedene Vorteile, darunter eine geringere Speicherfragmentierung und eine verbesserte Verwaltung der Speicherzuordnung. Es kann auch einige Nachteile mit sich bringen, beispielsweise den zusätzlichen Aufwand, der für die Pflege von Tabellen mit mehreren Seiten erforderlich ist. Die Seitenfehlerrate, die TLB-Trefferrate und der Speicheraufwand sind einige Leistungsindikatoren, die zur Bewertung der Leistung von 2-Level-Paging verwendet werden können. In praktischen Anwendungen bietet 2-Level-Paging eine zuverlässige und effiziente Methode zur Speicherverwaltung und wird häufig in eingebetteten Geräten und Betriebssystemen eingesetzt. Obwohl es noch viel zu tun gibt, um die Leistung von 2-Level-Paging zu verbessern, ist es immer noch ein wesentlicher Bestandteil der modernen Speicherverwaltung und wird wahrscheinlich noch viele Jahre lang genutzt werden.