Virtual Memory

Sebagian besar algoritma manajemen memori memerlukan satu kebutuhan dasar
yaitu instruksi yang akan dieksekusi harus berada di memori fisik. Pada beberapa
kasus, keseluruhan program tidak diperlukan. Misalnya :

• Program mempunyai kode untuk menangani kondisi error yang tidak biasa. Karena error-error ini jarang terjadi, kode ini hampir tidak pernah dieksekusi.
• Array, list dan tabel dialokasikan lebih dari kapasitas memori yang diperlukan
• Pilihan dan gambaran program jarang digunakan

 
Pada kasus dimana keseluruhan program dibutuhkan, mungkin tidak semua diperlukan pada saat yang sama. Kemampuan mengeksekusi program hanya pada beberapa bagian dari memori mempunyai beberapa keuntungan yaitu :

• Program tidak terbatas jumlah memori fisik yang tersedia sehingga user dapat menulis program untuk ruang alamat virtual yang sangat besar yang berarti menyederhanakan programming task.
• Karena setiap program user dapat menggunakan memori fisik yang lebih kecil, pada waktu yang sama dapat menjalankan lebih banyak program.
• 
  
  
  I/O yang lebih sedikit diperlukan untuk load atau swap program user ke memori, sehingga setiap program user dapat berjalan lebih cepat.

Memori virtual adalah teknik yang memisahkan
memori logika user dari memori fisik. Menyediakan memori virtual yang sangat besar diperuntukkan untuk programmer bila tersedia memori fisik yang lebih kecil. Programmer tidak perlu
khawatir jumlah memori fisik yang tersedia, sehingga dapat berkonsentrasi pada
permasalahan pemrograman. Gambaran memori virtual dapat dilihat pada Gambar

 

• Demand paging adalah sistem paging dengan swapping seperti pada ilustrasi gambar dibawah.

Page diletakkan di memori hanya jika diperlukan. Hal ini menyebabkan kebutuhan
I/O lebih rendah, kebutuhan memori lebih rendah, responlebih cepat dan lebih banyak user yang menggunakan.

Proses disimpan di memori sekunder (disk). Jika proses akan dieksekusi, maka
dipindah (swap) ke memori. Menggunakan lazy swapper untuk melakukan swapping
bila page tersebut akan digunakan yang berarti sebuah page tidak pernah ditukar ke
memori kecuali page diperlukan. Jika page diperlukan, dilakukan acuan ke page
tersebut, tetapi jika acuan invalid maka dilakukan penghentian. 

 
Untuk membedakan antara page pada memori dengan page pada disk digunakan
valid-invalid bit. Tabel page
untuk page yang berada di memori diset "valid',
sedangkan tabel page untuk page yang tidak sedang di memori (ada pada disk) diset "invalid" seperti Gambar

 

Akses ke page yang diset "invalid" menyebabkan page fault, yang
menyebabkan trap ke sistem operasi. Karena status (register, kode kondisi, counter
instruksi) dari proses ter-interrupt disimpan bila terjadi page fault, proses dapat dimulai lagi pada tempat dan status yang sama, kecuali page yang cocok sedang di memori dan sedang diakses. Prosedur untuk menangani page fault seperti Gambar sebagai berikut :

1. Sistem operasi melihat tabel untuk menentukan jika acuan invalid maka proses dihentikan dan page sedang tidak berada di memori.
2. Jika acuan invalid dilakukan trap ke sistem operasi.
3. Sistem mencari frame kosong
4. Sistem melakukan proses swapping ke frame bebas.
5. Tabel page di-reset, bit valid-invalid diset 1 atau valid
6. instruksi di-restart.

 

 

Apabila tidak ditemukan
frame bebas makadilakukan page replacement
yaitu
mencari beberapapage di memori yang tidak digunakan kemudian dilakukan swap out
ke backing store. Terdapat beberapa algoritma page replacement dimana performansi
algoritma diharapkan menghasilkan jumlah page faultminimum. Beberapa page
kemungkinan dibawa ke memori beberapa kali.
Perangkat keras yang dibutuhkan untukmendukung demand paging
sama
dengan perangkat keras untuk sistem paging denganswapping yaitu

• Tabel page : tabel mempunyai kemampuan untuk memberi entry bit valid-invalid atau nilai khusus untuk bit proteksi
• Memori sekunder : digunakan untuk membawa page yang tidak di memori dan biasanya adalah disk kecepatan tinggi yang disebut swap device.

 

• Unjuk Kerja DEMAND PAGING

 
Demand paging memberikan efek yang signifikan dalam kinerja sistem

computer. Diasumsikan ma adalah access time ke memori dan Padalah probabilitas terjadi page fault (0 ≤ p ≤ 1), maka effective access time didefinisikan sebagai :

 

EAT = (1-p) x ma + p x page_fault-time

 

Untuk menghitung effective access time, harus diketahui berapa waktu yang diperlukan untuk melayani page fault. Page fault menyebabkan terjadi

1. Trap ke sistem operasi.
2. Menyimpan register dan status proses.
3. Menentukan interrupt adalah page fault
4. Memeriksa page acuan legal atau tidak dan menentukan lokasi page pada disk.
5. 
   
   
   Membaca dari disk ke frame bebas :
   1. Menunggu di antrian untuk perangkat sampai permintaan membaca dilayani.
   2. Menunggu perangkat mencari dan / atau waktu latency.
   3. Memulai transfer dari page ke frame bebas.
6. Sementara menunggu, alokasikan CPU untuk user lain.
7. Interrupt dari disk (melengkapi I/O).
8. Menyimpan register dan status process user lain.
9. Menentukan interrupt dari disk.
10. Memperbaiki tabel page dan tabel lain untuk menunjukkan pageyang dimaksud sudah di memori.
11. Menunggu CPU dialokasikan untuk proses ini kembali.
12. Menyimpan kembali register, status proses dan tabel page baru, kemudian melanjutkan kembali instruksi yang di-interupsi.

 
Untuk Menghitung Effective Access Time
dari sistem demand paging perhatikan contoh berikut. Diasumsikan memory access 100 ns. Rata-rata waktu latency untuk hard disk adalah 8 ms, waktu pencarian 15 ms dan rata-rata transfer sebesar 1 ms. Total waktu paging ≈ 25 ms.
EAT = (1-p) x ma + p x page_fault-time

 

Effective access time     = (1-p) x (100) + p x (25 ms)

= (1-p) x 100 + p x 25000000

= 100 + 24999900 x p

 

Apabila satu dari 1000 akses menyebabkan page fault, maka effective access time = 25 micro-sec (lebih lambat dengan faktor 250). Tetapi bila menginginkan degradasi
kurang dari 10% maka
        110 > 100 + 25000000 x p

            10 > 250000000 x p

            p < 0.0000004

 

Dapat Disimpulkan system harus mempertahankan rata-ratapage-fault yang rendah pada sistem demand-paging. Sebaliknya, jika effective access time meningkatmaka akan memperlambat eksekusi
proses secara drastis.


 

• PAGE REPLACEMENT

Page replacement diperlukan pada situasi dimana proses dieksekusi perlu frame
bebas tetapi tidak tersedia frame bebas. Sistem harus menemukan satu frame yang
sedang tidak digunakan dan membebaskannya. Untuk membebaskanframe dengan cara
menulis isinya untuk ruang swap dan mengubah tabel page (dan tabel lain) yang
menunjukkan page tidak lagi di memori. Kebutuhan akan page replacement dapat
dilihat pada Gambar

 

 
Langkah-langkah untukpage fault yang memerlukan page replacement seperti
Gambar 8-6 adalah sebagai berikut :
1. Carilah lokasi pageyang diharapkan pada disk.
2. Carilah framekosong dg cara :
• Bila ada frame kosong, gunakan.
• Bila tidak ada, gunakan algoritma page replacement untuk menyeleksiframe
yang akan menjadi korban.
• Simpan page korban ke disk, ubah tabel page.
3. Baca page yang diinginkan ke frame kosong yang baru, ubah tabelpage.
4. Mulai kembali proses user.

 

 

 

 

 

 

 

• ALGORITMA PAGE REPLACEMENT

Terdapat beberapa algoritma page replacement, setiap sistem operasi
mempunyai skema yang unik. Algoritma page replacement secara umum diinginkan
yang mempunyai rata-rata page fault terendah. Algoritma dievaluasi dengan
menjalankannya pada string tertentu dari memory reference dan menghitung jumlah
page fault. String yang mengacu ke memori disebut reference string(string acuan).
String acuan dibangkitkan secara random atau dengan menelusuri sistem dan menyimpan alamat dari memori acuan.


 

• Algoritma FIFO

Algoritma FIFO merupakan algoritma paling sederhana. Algoritma FIFO
diasosiasikan dengan sebuah page bila page tersebut dibawa ke memori. Bila ada suatu
page yang akan ditempatkan, maka posisi page yang paling lama yang akan digantikan.
Algoritma ini tidak perlu menyimpan waktu pada saat sebuah pagedibawa ke memori.
Ilustrasi algoritma FIFO dapat dilihat pada Gambar

 
Meskipun algoritma FIFO mudah dipahami dan diimplementasikan, performansi
tidak selalu bagus karena algoritma FIFO menyebabkan Belady's anomaly. Belady's
anomaly mematahkan fakta bahwa untuk beberapa algoritma page replacement, bila
rata-rata page fault meningkat, akan meningkatkan jumlah alokasiframe. Sebagai
contoh, jika menggunakan string acuan :
1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

   

• Algoritma Optimal

Algoritma optimal merupakan hasil penemuan dari Belady's anomaly.
Algoritma ini mempunyai rata-rata page fault terendah. Algoritma optimal akan
mengganti page yang tidak akan digunakan untuk periode waktu terlama. Algoritma
ini menjamin rata-rata page fault terendah untuk jumlah frame tetap tetapi sulit
implementasinya. Ilustrasi dari algoritma optimal dapat dilihat pada Gambar
   

• Algoritma Least Recently Use (LRU)

Algoritma LRU merupakan perpaduan dari algoritma FIFO dan optimal.
Prinsip dari algoritma LRU adalah mengganti page yang sudah tidak digunakan untuk
periode waktu terlama. Untuk mengimplementasikan algoritma LRU, digunakan dua model yaitu :
• Counter : setiap entry tabel pagee diasosiasikan dengan sebuah "time-of-use" dan
sebuah clock logika atau counter ditambahkan ke CPU. Clock ini dinaikkan untuk
setiap acuan ke memori. Jika sebuah acuan ke page dibuat, isi clock register dicopy
ke time-of-use pada tabel page untuk page tersebut.
• Stack : stack dari nomor page diatur. Jika sebuah page digunakan acuan, maka
page dihapus dari stack dan meletakkan pada top of stack. Dengan cara ini, stack
selalu digunakan page dan bagian bawah untuk page LRU. Implementasi stack
untuk algoritma LRU diilustrasikan pada Gambar

• ALOKASI FRAME

Alokasi frame berhubungan dengan mekanisme alokasi sejumlah memori bebas
yang tetap diantara beberapa proses. Meskipun terdapat beberapa variasi pengalokasian frame bebas ke beberapa proses, tetapi strategi dasar jelas yaitu : proses user dialokasikan untuk sembarang framebebas. Jumlah minimum frame per proses ditentukan oleh arsitektur dimana jumlah maksimum tergantung jumlah memori fisik yang tersedia. Jumlah minimim frame ditentukan oleh arsitektur instruction-set. Bila terjadi page fault sebelum eksekusi instruksi selesai, instruksi harus di-restart. Sehingga tersedia frame yang cukup untuk membawa semuapage yang berbeda dimana sembarang instruksi dapat mengacu. Misalnya mikrokomputer menggunakan memori 128K yang dikomposisikan dengan page ukuran 1K, maka terbentuk 128 frame. Jika sistem operasi menggunakan 35K, maka 93 frame sisa digunakan program user. Bila suatu program menyebabkan page fault sebanyak 93 kali, maka menempati 93 frame bebas tersebut. Jika terjadi page fault ke 94, dari 93 frame yang terisi harus dipilih salah satu untuk diganti yang baru. Bila program selesai, 93 frame tersebut dibebaskan kembali. 

 
Terdapat 2 bentuk Algoritma Pengalokasi yaitu equal allocation
dan proportional allocation. Pada equal allocation, jika terdapatm frame dan n proses, maka setiap
proses dialokasikan sejumlah frame yang sama (m/n frame). Padaproportional allocation setiap proses dialokasikan secara proporsional berdasarkan ukurannya. Jika ukuran virtual memori untuk proses p_iadalah s_i dan total jumlah frame yang tersedia m.

Selain itu terdapat algoritma alokasi berprioritas yang menggunakan skema
proporsional dengan lebih melihat prioritas proses dari pada ukuran proses. Jika proses Pi membangkitkan page fault, dipilih satu dariframe-frame dari proses yang
mempunyai nomor prioritas terendah.


 

 

Global replacement
mengijinkan suatu proses untuk menyeleksi suatu frame yang akandipindah dari sejumlah frame, meskipun frame tersebut sedang dialokasikan
ke proses yang lain. Pada Local Replacement, jumlah frame yang dialokasikan untuk
proses tidak berubah. Setiap proses dapat memilih dari frame-frameyang dialokasikan
untuknya.

Permasalahan pada global replacement adalah proses tidak dapat mengontrol
rata-rata page fault. Sejumlah page pada memori untuk sebuah proses tidak hanya
tergantung pada perilaku paging untuk proses tersebut, tetapi juga perilaku paging untuk
proses yang lain. Bagaimanapun, karena algoritma global replacement menghasilkan through put yang lebih besar, metode ini sering digunakan.

• Thrashing

Misalnya sembarang proses tidak mempunyai frame yang cukup. Meskipun secara teknis dapat mengurangi jumlah frame yang dialokasikan sampai minimum, terdapat sejumlah page yang sedang aktif digunakan. Jika suatu proses tidak memiliki jumlah frame yang cukup, maka sering terjadi page fault. Sehingga harus mengganti beberapa page. Tetapi karena semua page sedang digunakan, harus mengganti page yang tidak digunakan lagi. Konsekuensinya, sering terjadi page fault lagi dan lagi. Proses berlanjut page fault, menggantipage untuk page fault dan seterusnya. Kegiatan aktifitas paging yang tinggi disebut thrashing. Sebuah proses mengalamithrashing jika menghabiskan lebih banyak waktu untuk paging daripada eksekusi. Efek thrashing dapat dibatasi dengan menggunakan algoritma local (priority) replacement. Grafik terjadinya proses thrashing pada sistem multiprogramming dapat dilihat pada Gambar