ADMINISTRACIÓN DE LA MEMORIA PRINCIPAL

En un sistema monoprogramado, la memoria principal se divide en dos partes: una parte para el sistema operativo (monitor residente, núcleo) y otra parte para el programa que se ejecuta en ese instante. En un sistema multiprogramado, la parte de "usuario" de la memoria debe subdividirse aún más para hacer sitio a varios procesos. La tarea de subdivisión la lleva a cabo dinámicamente el sistema operativo y se conoce como gestión de memoria.

En un sistema multiprogramado resulta vital una gestión efectiva de la memoria. Si sólo hay unos pocos procesos en memoria, entonces la mayor parte del tiempo estarán esperando a la E/S y el procesador estará desocupado. Por ello, hace falta repartir eficientemente la memoria para meter tantos procesos como sea posible.

Carga de programas en memoria principal

La tarea central de cualquier sistema de gestión de memoria es traer los programas a memoria principal para su ejecución en el procesador. En casi todos los sistemas multiprogramados modernos, esta tarea supone un esquema sofisticado conocido como memoria virtual. La memoria virtual está, a su vez, basada en el uso de una de dos técnicas básicas; segmentación y/o paginación. Antes de ver estás técnicas de memoria virtual, se debe preparar el terreno considerando técnicas más simples que no requieren el uso de memoria virtual. Una de estas técnicas, la partición, se ha venido usando con distintas variantes en algunos sistemas operativos ahora obsoletos. Las otras dos técnicas, la paginación simple y la segmentación simple, no se usan en solitario. No obstante, el estudio de la memoria virtual resultará más sencillo si se consideran en primer lugar estas dos técnicas, sin tener en cuenta la memoria virtual.

Paginación

Tanto las particiones de tamaño fijo como las de tamaño variable hacen un uso ineficiente de la memoria; las primeras generan fragmentación interna, mientras que las segundas originan fragmentación externa. Supóngase, no obstante, que la memoria principal se encuentra particionada en trozos iguales de tamaño fijo relativamente pequeños y que cada proceso está dividido también en pequeños trozos de tamaño fijo y del mismo tamaño que los de memoria. En tal caso, los trozos del proceso, conocidos como páginas, pueden asignarse a los trozos libres de memoria, conocidos como marcos o marcos de página. En este apartado se verá que el espacio malgastado en memoria para cada proceso por fragmentación interna consta sólo de una fracción de la última página del proceso. Además, no hay fragmentación externa.
En un instante dado, algunos de los marcos de memoria están en uso y otros están libres. El sistema operativo mantiene una lista de los marcos libres. El proceso A, almacenado en disco, consta de cuatro páginas. Cuando llega el momento de cargar este proceso, el sistema operativo busca cuatro marcos libres y carga las cuatro páginas del proceso A en los cuatro marcos. El proceso B, que consta de tres páginas y el proceso C, que consta de cuatro, se cargan a continuación. Más tarde, el proceso B se suspende y es expulsado de memoria principal. Después, todos los procesos de memoria principal están bloqueados y el sistema operativo tiene que traer un nuevo proceso, el proceso D, que consta de cinco páginas.
Supóngase ahora, como en este ejemplo, que no hay suficientes marcos sin usar contiguos para albergar al proceso. ¿Impedirá esto al sistema operativo cargar D? La respuesta es negativa, puesto que se puede emplear de nuevo el concepto de dirección lógica. Ya no será suficiente con un simple registro base. En su lugar, el sistema operativo mantiene una tabla de páginas para cada proceso. La tabla de páginas muestra la posición del marco de cada página del proceso. Dentro del programa, cada dirección lógica constará de un número de página y de un desplazamiento dentro de la página. Recuérdese que, en el caso de la partición simple, una dirección lógica era la posición de una palabra relativa al comienzo del programa; el procesador realizaba la traducción a dirección física. Con paginación, el hardware del procesador también realiza la traducción de direcciones lógicas a físicas. Ahora, el procesador debe saber cómo acceder a la tabla de páginas del proceso actual. Dada una dirección lógica (número de página, desplazamiento), el procesador emplea la tabla de páginas para obtener una dirección física (número de marco, desplazamiento).

Segmentación

Otro modo de subdividir el programa es la segmentación. En este caso, el programa y sus datos asociados se dividen en un conjunto de segmentos. No es necesario que todos los seg-mentos de todos los programas tengan la misma longitud, aunque existe una longitud máxima de segmento. Como en la paginación, una dirección lógica segmentada consta de dos partes, en este caso un número de segmento y un desplazamiento.
Como consecuencia del empleo de segmentos de distinto tamaño, la segmentación resulta similar a la partición dinámica. En ausencia de un esquema de superposición o del uso de memoria virtual, sería necesario cargar en memoria todos los segmentos de un programa para su ejecución. La diferencia, en comparación con la partición dinámica, radica en que, con segmentación, un programa puede ocupar más de una partición y éstas no tienen por qué estar contiguas. La segmentación elimina la fragmentación interna, pero, como la partición dinámica, sufre de fragmentación externa. Sin embargo, debido a que los procesos se dividen en un conjunto de partes más pequeñas, la fragmentación externa será menor.
Mientras que la paginación es transparente al programador, la segmentación es generalmente visible y se proporciona como una comodidad para la organización de los programas y datos. Normalmente, el programador o el compilador asignan los programas y los datos a diferentes segmentos. En aras de la programación modular, el programa o los datos pueden ser divididos de nuevo en diferentes segmentos. El principal inconveniente de este servicio es que el programador debe ser consciente de la limitación de tamaño máximo de los segmentos.

Memoria virtual.

La memoria virtual permite una multiprogramación muy efectiva y releva al usuario de las rígidas e innecesarias restricciones de la memoria principal.
Las ventajas de la memoria virtual son importantes. La cuestión es: ¿Funcionará este esquema? En un primer momento, se produjo un gran debate sobre este punto, pero la experiencia con numerosos sistemas operativos demuestra más allá de cualquier duda que la memoria virtual funciona. Por consiguiente, ha llegado a ser un componente esencial de la mayoría de los sistemas operativos actuales.

Para comprender cuál él es elemento clave y por qué la memoria virtual generó tanto debate, se va a considerar de nuevo la labor del sistema operativo con respecto a la memoria virtual. Considérese un proceso grande formado por un programa largo y un conjunto de series de datos. Durante un corto periodo, la ejecución puede estar reducida a una pequeña sección del programa (por ejemplo, una subrutina) y acceder sólo a una o dos series de datos. Si esto es así, sería un claro desperdicio cargar docenas de fragmentos para el proceso cuando se van a usar sólo unos pocos antes de que pase a estar suspendido o se descargue. Se puede aprovechar mejor la memoria cargando tan sólo unos pocos fragmentos. Además, si el programa se bifurca a una instrucción o hace referencia a datos de un fragmento que no está en memoria, se producirá un fallo de página. Este fallo le dice al sistema operativo que traiga el fragmento deseado.

Paginación

El término memoria virtual se asocia normalmente con sistemas que emplean paginación, aunque también se puede usar memoria virtual basada en la segmentación, que se tratará después. El uso de la paginación en la memoria virtual fue presentado por primera vez en el computador Atlas [KILB62] y pronto alcanzó un uso comercial muy extendido.
En el estudio de la paginación simple se indicó que cada proceso tiene su propia tabla de páginas y que, cuando carga todas sus páginas en memoria principal, se crea y carga en memoria principal una tabla de páginas. Cada entrada de la tabla de páginas contiene el número de marco de la página correspondiente en memoria principal. Cuando se considera un esquema de memoria virtual basado en la paginación se necesita la misma estructura, una tabla de páginas. Nuevamente, es normal asociar una única tabla de páginas con cada proceso.

Segmentación

La segmentación permite al programador contemplar la memoria como si constara de varios espacios de direcciones o segmentos. Con memoria virtual, el programador no necesita pre-ocuparse de las limitaciones de memoria impuestas por la memoria principal. Los segmentos pueden ser de distintos tamaños, incluso de forma dinámica. Las referencias a memoria constan de una dirección de la forma (número de segmento, desplazamiento).

Paginación y Segmentación Combinadas

Tanto la paginación como la segmentación tienen sus ventajas. La paginación, que es transparente al programador, elimina la fragmentación externa y, de este modo, aprovecha la memoria principal de forma eficiente. Además, puesto que los fragmentos que se cargan y descargan de memoria principal son de tamaño constante e igual para todos, es posible construir algoritmos de gestión de memoria sofisticados que aprovechen mejor el comportamiento de los programas, tal y como se verá. La segmentación, que es visible para el programador, tiene las ventajas antes citadas, incluida la capacidad de manejar estructuras de datos que puedan crecer, la modularidad y el soporte de la compartición y la protección. Para combinar las ventajas de ambas, algunos sistemas están equipados con hardware del procesador y software del sistema operativo que las permiten.
En un sistema con paginación y segmentación combinadas, el espacio de direcciones de un usuario se divide en varios segmentos según el criterio del programador. Cada segmento se vuelve a dividir en varias páginas de tamaño fijo, que tienen la misma longitud que un marco de memoria principal. Si el segmento tiene menor longitud que la página, el segmento ocupará sólo una página. Desde el punto de vista del programador, una dirección lógica también está formada por un número de segmento y un desplazamiento en el segmento. Desde el punto de vista del sistema, el desplazamiento del segmento se ve como un número de página dentro del segmento y un desplazamiento dentro de la página.