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この資料は、情報工学レクチャーシリーズ オペレー ティングシステム 松尾啓志 著（森北出版株式会 社）を用いて授業を行うために、名古屋工業大学松 尾啓志、津邑公暁が作成しました。
パワーポイント2007で最終版として保存しているため、変更はできませ ただければ、編集可能なバージョンをお渡しする事も可能です。
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オペレーティングシステム #10 主記憶管理： セグメンテーション， ページ化セグメンテーション
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復習 ページング ページテーブル 主記憶の再配置システム
仮想アドレスの上位（ページ番号）を 物理アドレスの上位（ページフレーム番号）に 変換することでアドレス変換 フラグメンテーションも改善 ページテーブル 上記変換を行うためのテーブル ページに対応するエントリごとにフラグなどを配置 ページへのアクセス権などを設定可能
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復習：ページングの動作 スワップイン 物理空間 仮想アドレス 00 02 123 01 ＝ 1 物理アドレス 2 02 02 123 3
0x00000 0x0000 00 02 123 0x00FFF 0x0FFF 0x1000 0x01000 01 ＝ 1 0x1FFF 0x01FFF 物理アドレス 0x02000 0x2000 2 02 02 0x2FFF 0x02FFF 123 0x03000 0x3000 3 03 0x03FFF 0x3FFF 0x04000 04 V P C ページフレーム 0x04FFF 0x05000 00 1 05 01 0x05FFF 1 0x06000 06 02 1 011 0x06FFF 03 1 0x07000 07 04 1 0x07FFF 0x08000 08 05 1 0x08FFF 06 1 0x09000 09 07 1 0x09FFF 08 1
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復習 ページングの改善法 ハッシュ関数 連想レジスタ ページテーブルの巨大さを緩和
仮想アドレス空間に比例する大きさが必要だったのが， 物理アドレス空間に比例する大きさまで縮小 連想レジスタ 主記憶へのアクセス回数の緩和 最近使用した「ページ番号→ページフレーム番号」の 変換結果をCPU内で記憶 ページテーブル検索のための主記憶アクセスを削減
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今日の内容 ページングの構成法 セグメンテーション 教科書とは違う順番でやります 多重レベルページング (10.3)
0レベルページング (10.4) セグメンテーション セグメンテーション (10.1) ページ化セグメンテーション (10.2) 教科書とは違う順番でやります
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10.3 多重レベルページング
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復習：ページングの問題点 ページテーブルが巨大 前回はハッシュ関数を利用することで改善
（仮想記憶の大きさと同じエントリ数） ×（同時実行プロセス数） だけのエントリ数が必要 主記憶を圧迫 前回はハッシュ関数を利用することで改善 仮想アドレス空間に比例する大きさが必要だったのが， 物理アドレス空間に比例する大きさまで縮小 さらに改善したい
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多重レベルページング 主記憶 仮想アドレス 仮想 アドレス 空間 2 2 123 3 ページテーブル 2 3 1 1 ＝ 物理アドレス 2
0x00000 0x0000 仮想 アドレス 空間 2 2 123 0x00FFF 0x1000 3 ページテーブル ページ番号 2 3 フレーム番号 1 0x01000 1 ＝ 0x01FFF 物理アドレス 0x02000 0x2000 2 6 0x02FFF 123 0x03000 0x3000 3 0x03FFF 0x04000 0x4000 4 基底アドレス 0x04FFF 0x05000 0x5000 5 6000 ページ テーブル 1 0x05FFF 5000 0x6000 0x06000 6 ページ テーブル ページ テーブル 2 8000 0x06FFF 3 0x7000 0x07000 4 ページテーブルを 多段に 0x07FFF 0x08000 0x8000 ページ テーブル ページテーブル 0x08FFF 0x9000 0x09000 0x09FFF
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多重レベルページング 主記憶 仮想アドレス 仮想 アドレス 空間 2 2 123 1 ＝ 3 物理アドレス 当面必要でない
0x00000 0x0000 仮想 アドレス 空間 2 2 123 0x00FFF 0x1000 0x01000 1 ＝ 3 0x01FFF 物理アドレス 当面必要でない ページテーブルは， 仮想記憶上に置いておける 0x02000 0x2000 2 6 0x02FFF 123 0x03000 0x3000 3 0x03FFF 0x04000 0x4000 4 基底アドレス 0x04FFF 0x05000 0x5000 5 6000 ページ テーブル 1 0x05FFF 5000 0x6000 0x06000 6 ページ テーブル ページ テーブル 2 8000 0x06FFF 3 0x7000 0x07000 4 0x07FFF 0x08000 0x8000 ページ テーブル ページテーブル 0x08FFF 0x9000 0x09000 0x09FFF
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多重レベルページング ページングを多段化 ページテーブルを細かく分割可能 多段化により，主記憶アクセスは増加
2段だけでなく，さらに多段化も可能 ページテーブルを細かく分割可能 必要なテーブルのみを主記憶上に置くことで 主記憶使用量を削減 多段化により，主記憶アクセスは増加 TLBにより解決
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10.4 0レベルページング （連想写像方式）
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連想写像方式 一般的なページング 0レベルページング（連想写像方式） 主記憶上にページテーブル
CPU内のMMUが，ページテーブルを用いて アドレス変換 0レベルページング（連想写像方式） ハードウェアとしてのMMUを持たない 一般的なページテーブルを持たず， 連想メモリで構成したTLBでアドレス変換
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0レベルページングの動作 物理空間 仮想アドレス 02 00 02 789 連想メモリ インデクスを持たない 全エントリを並列検索 1 07
0x00000 0x0000 02 00 02 789 連想メモリ インデクスを持たない 全エントリを並列検索 0x00FFF 0x0FFF 0x1000 0x01000 1 07 01 ＝ 0x1FFF 0x01FFF 物理アドレス 0x02000 0x2000 2 05 02 789 0x2FFF 0x02FFF 0x03000 0x3000 03 00 3 03 0x03FFF 0x3FFF 0x04000 04 V P C ページフレーム 011 3 1 2 01 00 02 03 04 05 06 07 08 フレーム ページフレーム 00 3 02 05 2 07 1 0x04FFF 0x05000 05 0x05FFF 02 0x06000 06 0x06FFF 0x07000 07 0x07FFF 0x08000 08 0x08FFF 0x09000 09 0x09FFF
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0レベルページングの特徴 メリット デメリット よって... 高クロック実装が可能 TLBヒットしなかった場合のオーバヘッドが膨大
MMU不要のため，CPU機構が単純化 デメリット TLBヒットしなかった場合のオーバヘッドが膨大 ソフトウェア処理のため よって... 主記憶使用量の少ないプログラムには高速 主記憶使用量の多いプログラムには非常に低速
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10.1 セグメンテーション
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復習：理想的な論理アドレス空間 大きさが無制限 プロセスごとに固有 プログラム部，データ部，スタック部など分離
ページングで実現可能 大きさが無制限 プロセスは主記憶の空き容量を考慮する必要なし プログラムの簡単化，バグの可能性減少 プロセスごとに固有 他のプロセスからのアクセスに対し保護 プログラム部，データ部，スタック部など分離 用途ごとに空間を分けることで， 自プロセス内での不正アクセスの可能性を低減 必要時にはプロセス間で共有も可能 並列動作するプロセス間で共有し， 高速な通信機構として使用 こちらも実現したい
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セグメンテーション ページ（ページング） セグメント（セグメンテーション） 一定の大きさを割り当て単位とする
プロセスに対し複数のセグメントを割り当て 各セグメントは論理的に独立 プログラム部，データ部など固有領域として使用可能 各セグメントはその論理空間の大きさを 自由に増減可能
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セグメンテーション セグメント プロセス 1 プロセス 2 プロセス間共有も 実現可 プログラム 領域 プログラム 領域 データ 領域
スタック 領域 プロセス間共有も 実現可 スタック 領域
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セグメンテーション 物理空間 仮想アドレス 02 123 ＝ 物理アドレス 1345 V 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 01
0x00000 0x0000 02 123 0x1222 0x00FFF 0x01000 ＝ 0x01FFF 物理アドレス 0x02000 1300 0x02FFF 1345 0x03000 0x03FFF 0x3FFF 0x04000 V 基底アドレス セグメント長 0x04FFF 0x05000 00 1 01 0x05FFF 1 0x06000 02 1222 1300 1 0x06FFF 03 1 0x07000 04 1 0x07FFF 0x08000 05 1 0x08FFF 06 1 0x09000 07 1 0x09FFF 08 1
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セグメンテーション 利点 欠点 プログラム部，データ部など，用途別に複数を プロセスに割り当て 各セグメンテーションは大きさを増減可
プログラム部，データ部など，用途別に複数を プロセスに割り当て 各セグメンテーションは大きさを増減可 欠点 フラグメンテーション 他の手法と組み合わせて 利用
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10.2 ページ化セグメンテーション
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ページング v.s. セグメンテーション ページング セグメンテーション 固定長ブロック ページテーブル 複数のアドレス空間
フラグメンテーションの解 決 ページテーブル 仮想→物理アドレスの 1対1対応 動的再配置による 仮想記憶の実現 セグメンテーション 複数のアドレス空間 用途別論理空間の実現 アドレス空間の オーバラップ 複数プロセスによる 空間の共有を実現
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ページ化セグメンテーション ページング ＋ セグメンテーション セグメンテーションを， 複数のページフレームにより構成する
セグメンテーションを， 複数のページフレームにより構成する セグメントごとにページテーブルを用意 ページ 番号 フレーム番号 セグメント セグメント ページフレーム ページテーブル ページフレーム ページ 番号 フレーム番号 セグメント セグメント ページフレーム ページフレーム ページテーブル ページフレーム ページ 番号 フレーム番号 セグメント セグメント ページフレーム ページテーブル
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ページ化セグメンテーション 主記憶 仮想アドレス 2 物理 アドレス 空間 仮想 アドレス 空間 2 123 3 セグメント0用
0x0000 2 セグメント 物理 アドレス 空間 仮想 アドレス 空間 セグメント2 2 123 0x1000 3 セグメント0用 ページテーブル ページ番号 2 3 フレーム番号 1 ＝ 1 物理アドレス 0x2000 6 セグメント 2 セグメント0 123 0x3000 3 0x4000 4 基底アドレス セグメント長 0x5000 6000 1000 ページ テーブル 5 1 5000 2000 0x6000 ページ テーブル ページ テーブル 6 6 セグメント1 2 8000 1000 3 0x7000 7 4 0x8000 セグメントテーブル ページ テーブル 8 0x9000 9
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ページ化セグメンテーションにおける 仮想アドレス
仮想アドレスの構造 セグメントがページ単位で構成されている セグメンテーションとページングの階層化 セグメント内相対アドレスが， ページングにおける仮想アドレスに相当 仮想アドレスの構造も二階層になっていると 考えるとわかりやすい 仮想アドレス セグメント番号 セグメント内相対アドレス ページ 番号 オフセット （ページ内相対アドレス） セグメント番号 仮想アドレス ページ 番号 セグメント内の 相対アドレス オフセット （ページ内相対アドレス）
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ページ化セグメンテーションの利点 フラグメンテーションの回避 複数セグメント プロセス間共有 ページテーブルの分散
主記憶割り当ては基本的にページ単位 複数セグメント 各セグメントは大きさ増減可能 複数使用により，用途別に使い分け可能 プロセス間共有 セグメンテーションとほぼ同様に共有可能 ページテーブルの分散 ページテーブルが複数に分割されるので， 多重レベルページング同様，その一部を 仮想記憶に追い出すことで主記憶使用量削減
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今日のまとめ 多重レベルページング 0レベルページング（連想写像方式）
従来のページングにおける，仮想アドレスの 「ページ番号部」を複数に分割 それぞれをページ番号とし階層化したテーブルを検索 ページテーブルの分割により，テーブルによる 主記憶使用量を削減（残りは仮想記憶へ） 0レベルページング（連想写像方式） MMUを持たず，CPUの構成を単純化（＝高速化） 連想記憶（検索のためのインデクスを持たない）で TLBを構成
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今日のまとめ セグメンテーション ページ化セグメンテーション セグメント： 仮想記憶と物理記憶を対応させる可変長な単位
セグメント： 仮想記憶と物理記憶を対応させる可変長な単位 プロセスあたり複数のセグメントを許す セグメント間のオーバラップ（共有領域）を許す ページ化セグメンテーション ページングとセグメンテーションの利点を融合 セグメンテーションの利点を生かしつつ フラグメンテーションを回避 ページテーブルの分割により，多重ページング同様 主記憶使用量の削減
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