Paginação de memória.

Este trabalho consiste na explicação do tema: Paginação de memória.
Diogo Libana / Francisco Henrique

1.1 Conceitos de paginação

A técnica de paginação surgiu com a necessidade de evitar o desperdício de memória causada pelas partições variáveis em função da fragmentação externa. A fragmentação externa consiste no fato de cada programa necessitar ocupar uma área continua na memória, se essa necessidade for eliminada e partes do programa puderem ser espalhadas pela memória, o problema da fragmentação externa estaria acabado e é ai que entra a paginação. A paginação nada mais é que o programa poder ser espalhado por áreas não continuas da memória.
A paginação ocorre quando o programa é executado, o mesmo é escrito com a suposição de que ele vai ocupar uma área continua na memória, ou seja, que ocupará a memória lógica. O endereço da memória lógica é dividido em duas partes o numero da página lógica e o deslocamento dentro da memória lógica.

Exemplo de memória física/lógica
Num. Des. Mem
000 | 00 | A1
000 | 01 | A2
000 | 10 | A3
000 | 11 | A4

O a primeira coluna (Num.), é o numero da pagina lógica, a segunda coluna (Des.) é o deslocamento dentro da tabela, ao ser criada a pagina lógica é também criada a página física com o mesmo formato da página lógica só diferem que a memória física não necessita que suas páginas estejam na mesma ordem que as páginas na memória lógica, mas precisa que o deslocamento dentro das páginas seja o mesmo tanto na memória física quanto na lógica, por tanto a página da memória física será carrega com o mesmo formato da memória lógica, tendo diferente apenas seus endereço de página, durante essa carga é criada a tabela de páginas. Essa tabela é usada para saber qual página da memória lógica corresponde à página da memória física.

1.2 Tabela de páginas

Cada entrada na tabela de páginas possui o endereço da pagina lógica para a página física, assim se obtendo o endereço da página física correta, já o endereço de deslocamento da página é o mesmo tanto para a página física quanto para a página lógica. Agora juntamos os dois números primeiro o endereço da página depois o deslocamento e temos o endereço físico do byte em questão na tabela física a figura abaixo mostra com mais clareza como é feito esse processo na tabela de páginas.

Vamos pegar o exemplo de Y2, na página lógica Y2 tem o seguinte endereço página 001 e deslocamento 01, pegando o numero da página lógica e comprando na tabela de páginas sabemos que o numero da página física de Y2 é 101 e como o deslocamento é igual em ambas as paginas 01, descobrimos o endereço do byte Y2 na página física 101 01.
O tamanho de uma página pode variar entre 1Kbytes a 8Kbytes, os espaços de endereçamento lógico variam nos Gbytes para máquinas atuais, a memória física vem da capacidade de endereçamento do processador e não a quantidade de memória que é instalada na máquina.
No processo de paginação a unidade de alocação sempre ocupa um numero inteiro de páginas físicas, assim gerando uma fragmentação interna. Imagine o exemplo, um programa precisa de 26Kbytes para ser executado e o tamanho de cada página é 4Kbytes iriam ser ocupadas pelo programa sete páginas totalizando 28Kbytes e gerando assim uma fragmentação interna de 2Kbytes e geral é esperada uma fragmentação interna de página/2 para cada processo.

1.3 Tamanho das paginas
Aqui abordaremos as vantagens e as desvantagens em utilizarmos grandes paginas durante o processo de paginação.
Quanto maior a página menores serão os gastos com a tabela de páginas e aumentará a eficiência da (E/S) do disco, ao mesmo tempo paginas maiores resultam em uma maior fragmentação interna. O tamanho das paginas não é definido pela arquitetura do SO, quem é responsável por isso é o hardware que gerencia a memória.
O gerenciador de memória tem que manter um controle sobre as paginas que estão preenchidas e as que não estão preenchidas, uma forma de realizar esse controle é com o um mapa de bits onde indica um para página usada e zero para página livre, bastaria o gerenciador percorrer suas páginas e encontrar a primeira livre (zero) mas imagine uma memória física de 1Gbytes com quase toda sua extensão já preenchida esse processo iria demorar um pouco. A alternativa para contornar esse problema é manter uma lista encadeada com os números das páginas livres. Com essa lista bastaria pegar o primeiro numero da lista e o sistema gerenciador de memória não precisaria ficar percorrendo toda a extensão da memória toda vez que precisasse de uma pagina livre.

1.4 Níveis de paginação

Uma possibilidade para implementação da paginação de memória seria a tabela de página ser criada de forma contínua, porém deste modo haveria fragmentação de memória no que se refere as tabelas, para solucionar este problema dividiu-se a tabela de página em níveis, o mais comum é o gerenciamento de dois níveis de tabelas, um contendo um diretório de tabelas e outro contendo as tabelas de segundo nível, deste modo as tabelas são criadas de acordo com a demanda e indexadas neste diretório, como mostramos na figura abaixo:



1.5 Exemplo de paginação no linux

No Linux, um endereço virtual é dividido em 5 campos: diretório de páginas (PGD), diretório superior de páginas (PUD), diretório intermediário de páginas (PMD), tabela de páginas (PTE) e deslocamento (offset). A arquitetura x86 possui um espaço de endereçamento de 32 bits; quando são utilizadas páginas de 4 KiB (o padrão) o PUD e o PMD não são utilizados; o PGD e o PTE usam 10 bits cada, e o deslocamento usa 12 bits.