Grundlagen - Betriebssysteme und Systemsoftware IN0009, WiSe 2020/21 Übungsblatt 10 25. Januar–31. Januar 2021 Hinweis:

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(1)Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. Grundlagen - Betriebssysteme und Systemsoftware IN0009, WiSe 2020/21 Übungsblatt 10 25. Januar–31. Januar 2021 Hinweis: Mit * gekennzeichnete Teilaufgaben sind ohne Lösung vorhergehender Teilaufgaben lösbar.. Aufgabe 1. Vorbereitung. Vor dieser Übung sollten Sie. . . • Das Konzept des Auslagerns (swapping) von Seiten verstanden haben. • Den Zusammenhang von virtuellen und physischen Adressen und den zugehörigen Adressräumen kennen. • Die in der Vorlesung vorgestellten Strategien zur Seitenersetzung wiederholt haben.. Aufgabe 2. Seitenersetzungsstrategien. Bei der Ausführung eines Speicherzugriffs bei der virtuellen Speicherverwaltung kann es vorkommen, dass sich die referenzierte Seite nicht im Arbeitsspeicher befindet. Diese Situation wird Seitenfehler (Page Fault) genannt. Die Behandlung eines Seitenfehlers erfordert i.A. Maßnahmen zur Ersetzung einer Seite im Arbeitsspeicher, d.h. um die gewünschte Seite in eine Kachel (frame) des Arbeitsspeichers einlagern zu können, muss zunächst eine andere Seite vom Arbeitsspeicher auf den Hintergrundspeicher ausgelagert oder eine unveränderte Seite verworfen werden. Die Menge der Seiten sei gegeben durch P6 = {0, 1, 2, 3, 4, 5}, die der Kacheln durch F4 = {f1 , f2 , f3 , f4 }. Auf die 6 Seiten der Menge P6 wird in folgender Reihenfolge zugegriffen: w = 1 3 5 4 2 4 3 2 1 0 5 3 optional: (5 0 4 3 5 4 3 2 1 3 4 5). Arbeiten Sie mit den zur Verfügung stehenden Kacheln der Menge F4 die Seitenzugriffsfolge w gemäß den folgenden Ersetzungsstrategien ab und vergleichen Sie diese anhand der Seitenfehleranzahl. Gehen Sie davon aus, dass zunächst keine Seite im Hauptspeicher eingelagert ist. Erstellen Sie dazu eine Tabelle, die verdeutlicht welche Seiten auf welche Kacheln abgebildet werden und protokollieren Sie die Anzahl der Page Faults. Bearbeiten Sie in der Übung nur die nicht eingeklammerten Seitenzugriffe!. Anregung für das Layout der Tabelle:. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. Anfrage. f1. f2. f3. 2. 2. 3. ... 5 4 .... f4. Nr Pagefaults 5. 1.

(2) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. a)* FIFO : First In First Out Anfrage 1 3 5 4 2 4 3 2 1 0 5 3. f1. f2. Iv. 1. 3W. 1. 3. 2. 3. 1. 3. f3. 5J. W3. 5 5. 23. 5. 2. 21. 2 2. 3. 5. 3. LIV 4. Nr Pagefaults. 1 2 3. 4. 5. 5. 4. 5. 5. 4 4. 6. 5. 1. O. 1. O. 1. f4. O. 4 4 5 5. 5 5. 7 8 9. 0 4 3 5 4 3 2 1 3 4 5. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. 2.

(3) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. b)* LRU : Least Recently Used. Die am l'cingsten nicht vernendete Scite wird ansgelagert. Anfrage. f1 , t. 1. 1,1. 3 5 4 2 4 3 2 1 0 5 3 5. f2 , t. f3 , t. f4 , t. 1,1 3,2 1,1 3,2 5,3 1,1 3,2 5,3 4,4 2,5 3,2 5,3 4,4 2,5 3,2 5,3 4,6 2,5 3,7 5,3 4,6 2,8 3,7 5,3 4,6 2,8 317 1,9 4,6 2,8 317 119 0,10 2,8 5111 1,9 0,10 3,12 5,11 119 0,10. Nr Pagefaults. 1. 2. 3. 4 5 5. 5 5g. g 9. 0 4 3 5 4 3 2 1 3 4 5. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. 3.

(4) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. c)* NFU : Not Frequently Used. Die am settestenuernendete scite windansgelagert. Anfrage. f1 , #. 1. 71. 3 5 4 2 4 3 2 1 0 5 3 5. f2 , #. f3 , #. f4 , #. 1,1 3,1 1,1 3,1 5,1 1,1 3,1 5,1 4,1 2,1 3,1 5,1 4,1 2,1 3,1 5,1 4,2 2,1 3,2 5,1 4,2. 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2. 3,2 5,1 4,2 3,2 1,1 4,2 3,291 4,2 3,2 5,1 412 3,3 5,1 4,2. Nr Pagefaults. 1 2. 3. 4. 5. 5 5 5 6 g. 0 4 3 5 4 3 2 1 3 4 5. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. 4.

(5) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. Die Menge der Kacheln werde vergrößert zu F5 = {f1 , f2 , f3 , f4 , f5 }. Arbeiten Sie w analog zu den vorherigen Teilaufgaben ab sowie vergleichen Sie die Seitenfehleranzahlen für: d)* FIFO : First In First Out. Anfrage 1 3. f1. TU. 5. f2. 3. 4. f3. 5. 4. 1 0 5. 1 o 3. 3. Nr Pagefaults. 2 4. 4. 3. 2. f5. 1. 2 3. f4. 3. 2 2. 5. 4. 5. 5. 5 5 5. 6. 6 6. 5 0 4 3 5 4 3 2 1 3 4 5. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. 5.

(6) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. e)* LRU : Least Recently Used. Anfrage. f1 , t. 1. 1,1. 3 5. f2 , t. 3,2. 4 2 4 3 2 1 0 5 3 5. 3,7. f3 , t. f4 , t. f5 , t. 1 2. 5,3 4,4 4,6. 3. 2,5. 2,8. 1,9 3,7 5,3 4,6 2,8 1,9 3,7 0,10 4,6 2,8 3,12. Nr Pagefaults. 5,11. 4 5 5 5 5 5. 6. 7. 7. 0 4 3 5 4 3 2 1 3 4 5. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. 6.

(7) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. f)* NFU : Not Frequently Used. Anfrage. f1 , #. 1. 1,1. 3 5. f2 , #. 3,1. 4. f3 , #. 5,1. 4. 1 0. 4,1 4,2. 3,2. 2. Nr Pagefaults. f5 , #. 1. 2 3. f4 , #. 2 3. 2,1. 5. 2,2. 5 5 5. 1,2 3,2 5,1 4,2 2,2 0,1. 5 3. 3,3. 5. 4. 5. 6. 7. 5,1. 7. 0 4 3 5 4 3 2 1 3 4 5. g) Welche Eigenschaft der Ersetzungsstrategien ist wünschenswert in Bezug auf die Anzahl der Kacheln und welche der oben genannten Strategien erfüllt diese nicht?. Es. Kann. a. U. bei. FIFO. unit. 4. kachd zumehrseitenfehlerkommen.ci. smi 3Kacheln. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. 7.

(8) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. Aufgabe 3. Virtuelle Adressierung. Die Breite einer virtuellen Adresse betrage 12 Bit. Als physischer Speicher stehen 256 Byte zur Verfügung. Die Seitengröße entspricht der Kachelgröße. Wir betrachten die Adressübersetzung mittels einer einstufigen Pagetable. n Bit Seitennummernbreite. k Bit Offsetbreite. Seitennummer. Offset. virtuelle Adresse. Kachelnummer. Offset. physische Adresse. m Bit Kachelnummernbreite. k Bit Offsetbreite. Adressübersetzung. Abbildung 1: Symbolbild Adressübersetzung.. a)* Nehmen Sie eine Seitengröße von 32 Byte an. Wie viele Bits der virtuellen Adresse entfallen auf die Seitennummer und Kachelnummer, wie viele auf den Offset? Wie viele Seiten können adressiert werden?. 32 B. 12 5. 25 B. 5 Bit. 7 Bit. seitenoffset. scitennummorbreite. ti sei ten. seitenoffset 5 Bit kachelo ff set 256 B 28B 8 Bit Lainge der Phy Adr 8 5 3 Bit kachelaummerbreite b)* Berechnen Sie zunächst die Anzahl der notwendigen Einträge in einer einstufigen Page Table für alle neun möglichen Kombinationen von:. • Länge der virtuellen Adresse (und damit Größe des virtuellen Speicherbereichs): 16, 32, 64 Bit • Seitengröße: 4 KiB, 8 KiB, 16 KiB. Seitengröße. Offsetbreite. 4 KiB = 4096 Byte = 212 Byte 13. 8 KiB = 8192 Byte = 2. Byte. 16 KiB = 16384 Byte = 2. 14. Byte. #Einträge bei _ Bit virtueller Adressbreite: 16 Bit 32 Bit 64 Bit. 24 23 22. 12 13. 14. 220 219 218. sètte. 252 251 250 vinti Adr. 3 Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. 19bit. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. 13bit 8.

(9) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. c)* Angenommen, Ihr System biete 32 Bit-breite virtuelle Adressen und der physische Speicher sei über 24 Bit-breite Adressen adressierbar. Geben Sie nun an, wie viele Bits der jeweiligen Adressen auf Seitennummer s und zugehöriges Offset wv bzw. auf Kachelnummer k und zugehöriges Offset wp für folgende Seitengrößen entfallen: 1 KiB, 2 KiB, 4 KiB, 8 KiB. Seitengröße. Offsetbreite physisch. 1 KiB = 1024 Byte = 210 Byte 11. Byte. 12. Byte. 2 KiB = 2048 Byte = 2 4 KiB = 4096 Byte = 2. 8 KiB = 8192 Byte = 213 Byte. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Offsetbreite virtuell. Seitennummer. 32. 24. 22. 14. 11. 10 11. 21. 13. 12. 12. 20. 12. 13. 13. 19. Il. 10. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. Kachelnummer. 9.

(10) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. Aufgabe 4. Clock Algorithmus. Geben Sie den Inhalt der Page Table inklusive R-Bit und M-Bit nach der Folge von Schreibzugriffen auf die Seiten 2, 5, 7, 10. an, wenn der Clock-Seitenersetzungsalgorithmus (FIFO-Second-Chance) verwendet wird. Wenn eine Seite eine zweite Chance bekommt, wird ihre Ladezeit auf den aktuellen Wert gesetzt. Nehmen Sie vereinfachend an, dass auf das letzte initiale Laden einer Seite folgend zu allen vollen zehn Zeitschritten ein Schreibzugriff beim Betriebssystem ankommt. Die aktuelle Zeiteinheit sei t = 140. Es wird also zur Zeiteinheit t = 140 auf Seite 2 zugegriffen, zu t = 150 auf 5, usw. Das Setzen eines R-Bits sowie das Zurückschreiben einer Seite auf den Hintergrundspeicher dauert jeweils eine Zeiteinheit. t = 140, Initialbelegung, Kacheln der Ladezeit der Seiten nach angeordnet. Seite 12 R=1. Seite 9 R=0. M=0. Kachel 5. Seite 11. M=0. R=0. Kachel 7. Seite 3 R=0. M=0. Seite. Kachel. Ladezeit. R-Bit. M-Bit. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13. 0 1 2 3. 110 120 115 130. 7. 132. 4 5 6. 101 100 102. 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1. 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0. Kachel 4. Seite 13 M=0. R=1. Kachel 3. M=0. Kachel 6. Seite 1 R=0. Seite 0 M=1. Kachel 1. R=1. Seite 2 R=0. M=0. Kachel 0 M=0. Kachel 2. Tabellenvordrucke: Seite. Kachel. Ladezeit. R-Bit. M-Bit. Seite. 0. O. 110. 1. 0. 0. 1 2 3. 11200 2 11514001 01 13000g. 4 5 6 7 8. 4 1. 9 10 11 12 13. 3. 151. 0101. 0 O 164 0101 µ. gg. 170 QQ. 41010 0 100 1 5 6. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. 102. 1 O. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. Kachel. Ladezeit. R-Bit. M-Bit. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13. 10.

(11) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. t=. schreibzagriffsgq.fr. 140. 12 i 0 Kachel: 5. Seite: R=. q 0 0 Kachel: 7. Seite: R=. M=. Seite:. O. R=. A. Kachel:. 0. 4. oso 3 Seite: M=. I. I. 1 Kachel: R=. 2M = 1 Kachel: 0 2 01 Seite:. O. no 6. R=. M=. 151 Seite:. o. o Kachel: R=. 0120. q 0 7. Seite:. 1 Kachel: 0. M=. R=. Seite: M=. Kachel:. 3. 0. R=. 3. 0. O Kachel: R=. iM =. 1. Seite:. I. no 6 M=. 0. 1 M =O Kachel: R=. O. 2M = a 1 Kachel: 2. Seite:. 5 µ M=. 4. o. schreibrugniff. 160. Seite: R=. Seite:. 0 Kachel:. 01. R=. Seite:. R=. 4. R=. M=. 5. inM =. Kachel:. Seite:. t=. Kachel:. Kachel:. Seite:. Kachel:. Seite: R=. O. R=. A. R=. t=. Seite:. M=. M=. 0. M=. Kachel:. Seite:. M=. Kachel:. Seite:. R=. q O 0 Kachel: 7 R=. Schreibragriff auf scite 5 12 O X 0 Page fault 5 Seite:. Seite:. R=. Kachel:. O Kachel:. nn M=. Seite:. M=. R=. µO. M=. Seite: R=. t=. o. Kachel:. q 0 7. M=. 5. o Seite:. 1 Kachel:. M=. R=. Seite:. R=. M=. Kachel:. 6. o. R=. o. Kachel:. auf. scite 7. 5 PageFan 1 4 M=. Seite: M=. 3. o. o. R=. M=. Kachel:. 6. o. 163162J Seite:. O Kachel: R=. Seite: M=. 1. I Seite:. 1 Kachel: R=. 2 M= 1 2. 170. R=. o. 5. M=. 1. i. O O 0 Kachel:. Seite: R=. 2M =. Seite: R=. 021. Kachel:. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. 1. Seite:. O Kachel: A. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. M=. o. M=. Seite:. 2 M= 1 2. o. i Kachel: R=. R=. M=. O. 0. M=. Kachel:. Seite:. M=. R=. M=. Kachel:. Seite: R=. 0. Seite:. R=. 13 O 0 Kachel: 6. è 01 e 3 I. M=. t=. M=. R=. Kachel:. Kachel:. auf. Seite:. M=. M=. Kachel:. Seite: Pagefault 5 1 1 Kachel: Kachel: 4. Seite:. 7. 1. 0. R=. Seite: R=. r. R=. O. V. T 1 0. Seite:. scite 10. M=. Kachel:. a o 0 Kachel: 7. Seite:. M=. R=. Seite:. Seite:. R=. O. schreibrugniff. t=. R=. 1 Kachel: R=. Seite: M=. R=. Kachel:. M=. Kachel:. Seite: R=. Kachel:. Seite: M=. R=. Seite: R=. M=. Kachel: M=. Kachel:. 11.

(12) Lehrstuhl für Connected Mobility Fakultät für Informatik Technische Universität München. t=. t=. Seite: R=. Kachel:. Seite: R=. R=. Seite:. M=. R=. Kachel:. R=. R=. Kachel:. R=. R=. Kachel:. R=. R=. Kachel:. Seite: R=. R=. Seite: M=. Kachel:. R=. t=. R=. R=. Seite:. M=. R=. Kachel:. R=. R=. Kachel:. R=. R=. Kachel:. R=. R=. Kachel:. Seite: R=. R=. Seite: M=. Kachel:. R=. t=. R=. R=. Seite:. M=. R=. Kachel:. R=. R=. Kachel:. Kachel:. Seite: R=. Seite: M=. Kachel:. R=. Kachel:. Seite: R=. M=. Kachel:. Prof. Dr.-Ing. Jörg Ott ott@in.tum.de. Martin Uhl gbs@cm.in.tum.de. Seite:. M=. R=. Kachel:. Seite: M=. M=. Kachel:. Seite: M=. Kachel:. Seite: R=. M=. Seite:. M=. Kachel:. Seite:. M=. Kachel:. Seite: R=. R=. Kachel:. Seite:. M=. Kachel:. t=. M=. Kachel:. Seite: M=. M=. Seite: M=. Kachel:. Seite: M=. R=. Kachel:. Seite: M=. Kachel:. Seite:. Seite:. M=. Kachel:. Seite: M=. M=. Kachel:. Seite: M=. Kachel:. Seite: R=. M=. Seite:. M=. Kachel:. Seite:. M=. Kachel:. Seite: R=. R=. Kachel:. Seite:. M=. Kachel:. t=. M=. Kachel:. Seite: M=. M=. Seite: M=. Kachel:. Seite: M=. R=. Kachel:. Seite: M=. Kachel:. Seite:. Seite:. M=. Kachel:. Seite: M=. M=. Kachel:. Seite: M=. Kachel:. Seite: R=. Seite:. M=. Seite: M=. R=. Seite: M=. R=. Kachel:. M=. Kachel:. Seite: M=. M=. Kachel:. R=. Kachel:. Seite: M=. R=. Seite: R=. M=. Kachel: M=. Kachel:. 12.

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