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=MMU - Memory Management Unit= | =MMU - Memory Management Unit= | ||
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<loop_index>MMU|Memory Management Unit</loop_index>Die '''Memory Management Unit''', kurz '''MMU''', ist eine Hardware-Komponente, welche üblicherweise direkt auf der CPU beheimatet ist. Sie unterstützt das Betriebssystem bei der <loop_index>Verwaltung Hauptspeicher|Hauptspeicher, Verwaltung mit MMU</loop_index>Verwaltung des Hauptspeichers, und trägt so zu einer größeren Flexibilität und besseren Ausnutzung des vorhandenen <loop_index>physikalischer Speicher|Speicher, physikalischer</loop_index>physikalischen Speichers (<loop_index>RAM</loop_index>RAM) bei. | <loop_index id="5fa978690e83c">MMU|Memory Management Unit</loop_index>Die '''Memory Management Unit''', kurz '''MMU''', ist eine Hardware-Komponente, welche üblicherweise direkt auf der CPU beheimatet ist. Sie unterstützt das Betriebssystem bei der <loop_index id="5fa978690e850">Verwaltung Hauptspeicher|Hauptspeicher, Verwaltung mit MMU</loop_index>Verwaltung des Hauptspeichers, und trägt so zu einer größeren Flexibilität und besseren Ausnutzung des vorhandenen <loop_index id="5fa978690e860">physikalischer Speicher|Speicher, physikalischer</loop_index>physikalischen Speichers (<loop_index id="5fa978690e86f">RAM</loop_index>RAM) bei. | ||
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<loop_index>Wir brauchen ein Betriebssystem|Notwendigkeit Betriebssystem</loop_index> | <loop_index id="5fa978690e87e">Wir brauchen ein Betriebssystem|Notwendigkeit Betriebssystem</loop_index> | ||
<loop_area type="important">'''Wir brauchen ein Betriebssystem!''' | <loop_area type="important">'''Wir brauchen ein Betriebssystem!''' | ||
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== Virtuelle Speicherverwaltung == | == Virtuelle Speicherverwaltung == | ||
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<loop_index>Virtuelle Speicherverwaltung|Speicherverwaltung, virtueller Speicher</loop_index> | <loop_index id="5fa978690e88d">Virtuelle Speicherverwaltung|Speicherverwaltung, virtueller Speicher</loop_index> | ||
Die virtuelle Speicherverwaltung kann sehr kompliziert erscheinen, wenn man sie allein durch Worte und ein paar Abbildungen beschreiben, bzw. verstehen soll. Glücklicherweise gibt es das folgende Video, welches die Grundlagen anschaulich zeigt. | Die virtuelle Speicherverwaltung kann sehr kompliziert erscheinen, wenn man sie allein durch Worte und ein paar Abbildungen beschreiben, bzw. verstehen soll. Glücklicherweise gibt es das folgende Video, welches die Grundlagen anschaulich zeigt. | ||
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<loop_area icon="Video.png" icontext="Video"> | <loop_area icon="Video.png" icontext="Video"> | ||
<loop_media type="video" title="Grundlagen virtueller Speicherverwaltung mit MMU (04:47)" description="http://youtu.be/PpyWObQw70o" copyright="CC-BY" index=true show_copyright=true>{{#ev:youtube|PpyWObQw70o|700}} | <loop_media type="video" title="Grundlagen virtueller Speicherverwaltung mit MMU (04:47)" description="http://youtu.be/PpyWObQw70o" copyright="CC-BY" index=true show_copyright=true id="5fa978690e89c">{{#ev:youtube|PpyWObQw70o|700}} | ||
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== Definition: Virtueller Speicher == | == Definition: Virtueller Speicher == | ||
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<loop_index>Virtueller Speicher|Speicher, virtuell</loop_index> | <loop_index id="5fa978690e8ab">Virtueller Speicher|Speicher, virtuell</loop_index> | ||
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== Definition: Physikalische Speicheradresse == | == Definition: Physikalische Speicheradresse == | ||
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<loop_index>Physikalische Speicheradresse|Physikalische Adresse|Speicheradresse, physikalisch|Adresse, physikalisch</loop_index> | <loop_index id="5fa978690e8b9">Physikalische Speicheradresse|Physikalische Adresse|Speicheradresse, physikalisch|Adresse, physikalisch</loop_index> | ||
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== Definition: Virtuelle Speicheradresse == | == Definition: Virtuelle Speicheradresse == | ||
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<loop_index>Virtuelle Speicheradresse|Virtuelle Adresse|Speicheradresse, virtuell|Adresse, virtuell</loop_index> | <loop_index id="5fa978690e8c7">Virtuelle Speicheradresse|Virtuelle Adresse|Speicheradresse, virtuell|Adresse, virtuell</loop_index> | ||
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<loop_task title="Eindeutig oder mehrdeutig?"> | <loop_task title="Eindeutig oder mehrdeutig?" id="5fa978690e8d7"> | ||
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Eine physikalische Adresse ist eindeutig, d.h. es gibt sie nur einmal pro Rechner. Wie ist das bei einer virtuellen Adresse? Ist diese auch eindeutig, oder ist sie mehrdeutig? Erläutere! | Eine physikalische Adresse ist eindeutig, d.h. es gibt sie nur einmal pro Rechner. Wie ist das bei einer virtuellen Adresse? Ist diese auch eindeutig, oder ist sie mehrdeutig? Erläutere! | ||
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== Was sich durch die MMU ändert == | == Was sich durch die MMU ändert == | ||
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<loop_index>MMU, Arbeitsweise|Arbeitsweise, MMU</loop_index> | <loop_index id="5fa978690e8e5">MMU, Arbeitsweise|Arbeitsweise, MMU</loop_index> | ||
Wie im [http://youtu.be/PpyWObQw70o Video] zu sehen ist, wird durch die Einführung einer Memory Management Unit das Betriebssystem bei der Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen unterstützt. Da die MMU als Hardware auf genau diese Tätigkeit optimiert wurde, kann sie diese Umrechnung sehr viel schneller durchführen, und so bei jedem einzelnen Hauptspeicherzugriff einen Geschwindigkeitsvorteil erzielen. | Wie im [http://youtu.be/PpyWObQw70o Video] zu sehen ist, wird durch die Einführung einer Memory Management Unit das Betriebssystem bei der Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen unterstützt. Da die MMU als Hardware auf genau diese Tätigkeit optimiert wurde, kann sie diese Umrechnung sehr viel schneller durchführen, und so bei jedem einzelnen Hauptspeicherzugriff einen Geschwindigkeitsvorteil erzielen. | ||
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<loop_task title="Umrechnung und was noch?"> | <loop_task title="Umrechnung und was noch?" id="5fa978690e8f2"> | ||
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Eine der Aufgaben der MMU ist die Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen. Aber das kann noch nicht alles sein. Denk' mal daran, was durch die MMU auf der CPU alles weggefallen ist. | Eine der Aufgaben der MMU ist die Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen. Aber das kann noch nicht alles sein. Denk' mal daran, was durch die MMU auf der CPU alles weggefallen ist. | ||
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<loop_task title="Virtuelle Größen"> | <loop_task title="Virtuelle Größen" id="5fa978690e900"> | ||
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Ein Computer besitzt 2 GiB physikalischen Speicher. Jeder gestartete Prozess besitzt 4 GiB virtuellen Speicher. Die typische Größe einer einzelnen virtuellen Seite bei Verwendung der virtuellen Speicherverwaltung beträgt 4 KiB. | Ein Computer besitzt 2 GiB physikalischen Speicher. Jeder gestartete Prozess besitzt 4 GiB virtuellen Speicher. Die typische Größe einer einzelnen virtuellen Seite bei Verwendung der virtuellen Speicherverwaltung beträgt 4 KiB. | ||
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<loop_task title="Swapping bei virtueller Speicherverwaltung?"> | <loop_task title="Swapping bei virtueller Speicherverwaltung?" id="5fa978690e90d"> | ||
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[[Swapping: Aus- und Einlagern von kompletten Prozessen|Swapping]] kennst du bereits. Es bezeichnet das Aus- und Einlagern eines '''kompletten''' Prozesses. Diskutiere die folgenden Fragen in deiner Lerngruppe: | [[Swapping: Aus- und Einlagern von kompletten Prozessen|Swapping]] kennst du bereits. Es bezeichnet das Aus- und Einlagern eines '''kompletten''' Prozesses. Diskutiere die folgenden Fragen in deiner Lerngruppe: | ||
Die Memory Management Unit, kurz MMU, ist eine Hardware-Komponente, welche üblicherweise direkt auf der CPU beheimatet ist. Sie unterstützt das Betriebssystem bei der Verwaltung des Hauptspeichers, und trägt so zu einer größeren Flexibilität und besseren Ausnutzung des vorhandenen physikalischen Speichers (RAM) bei.
Bevor die konkrete Arbeitsweise der MMU erläutert wird, sei kurz an den bisherigen Stand der Hauptspeicherverwaltung erinnert:
Die bisher betrachtete Hauptspeicherverwaltung hat mit Hilfe des Basisregisters jeweils zusammenhängende Speicherbereiche für jeden im RAM eingelagerten Prozess zugreifbar gemacht. Der Speicherschutz wurde mit Hilfe des Limitregisters realisiert.
Nachteilig, weil wenig flexibel, ist hierbei der Zwang zum zusammenhängenden Speicherbereich. Es muss bereits ganz zu Beginn festgelegt werden, wie groß dieser Speicherbereich ist. Nachträgliche Änderungen dieser Größe (d.h. zur Laufzeit des betreffenden Prozesses) sind zwar nicht unmöglich, aber i.d.R. sehr zeitintensiv und damit in der Durchführung nicht zu empfehlen.
Um eine Flexibilisierung der Speicherverwaltung zu erreichen, wurden in Betriebssystemen Konzepte einer virtuellen Speicherverwaltung integriert. Die bereits von vorangegangenen Seiten bekannte Forderung wird hier wiederholt:
Wir brauchen ein Betriebssystem!
Und eine der Aufgaben des Betriebssystems wird die Verwaltung des Hauptspeichers und die Versorgung aller Prozesse mit benötigten Teilen des Hauptspeichers sein.
Die virtuelle Speicherverwaltung kann sehr kompliziert erscheinen, wenn man sie allein durch Worte und ein paar Abbildungen beschreiben, bzw. verstehen soll. Glücklicherweise gibt es das folgende Video, welches die Grundlagen anschaulich zeigt.
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Aus dem Video folgen einige Definitionen:
Unter dem physikalischen Speicher eines Computers versteht man den tatsächlich in dieses Gerät verbauten Speicher, soweit er direkt von der CPU oder der MMU angesprochen werden kann.
Unter dem virtuellen Speicher eines Prozesses versteht man den Speicherbereich, der einem Prozess durch das Betriebssystem zur Verfügung gestellt wird.
Man bemerke hier eine entscheidende Kleinigkeit in den Definitionen:
Der physikalische Speicher bezieht sich auf den Computer, während der virtuelle Speicher auf einen Prozess bezogen wird!
Da bei den vorangegangenen Definitionen der Speicher an sich unterschieden wurde, gibt es auch bzgl. der Speicheradressen eine Unterscheidung:
Unter einer physikalischen Speicheradresse versteht man eine Adresse innerhalb des physikalischen Speichers eines Rechners.
Unter einer virtuellen Speicheradresse versteht man eine Adresse innerhalb des virtuellen Speichers eines Prozesses.
Eine physikalische Adresse ist eindeutig, d.h. es gibt sie nur einmal pro Rechner. Wie ist das bei einer virtuellen Adresse? Ist diese auch eindeutig, oder ist sie mehrdeutig? Erläutere!
Wie im Video zu sehen ist, wird durch die Einführung einer Memory Management Unit das Betriebssystem bei der Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen unterstützt. Da die MMU als Hardware auf genau diese Tätigkeit optimiert wurde, kann sie diese Umrechnung sehr viel schneller durchführen, und so bei jedem einzelnen Hauptspeicherzugriff einen Geschwindigkeitsvorteil erzielen.
Basis- und Limitregister fallen durch den Einsatz der MMU weg. Sie werden nicht mehr benötigt.
Eine der Aufgaben der MMU ist die Umrechnung von virtuellen in physikalische Speicheradressen. Aber das kann noch nicht alles sein. Denk' mal daran, was durch die MMU auf der CPU alles weggefallen ist.
Was ist also eine weitere Aufgabe der MMU?
Ein Computer besitzt 2 GiB physikalischen Speicher. Jeder gestartete Prozess besitzt 4 GiB virtuellen Speicher. Die typische Größe einer einzelnen virtuellen Seite bei Verwendung der virtuellen Speicherverwaltung beträgt 4 KiB.
Gib jeweils kurz den Rechenweg mit an!
Hier findest du Hinweise zu den Schreibweisen GiB und KiB.
Swapping kennst du bereits. Es bezeichnet das Aus- und Einlagern eines kompletten Prozesses. Diskutiere die folgenden Fragen in deiner Lerngruppe: