חלק א (12 נקודות) לפניכם מספר סיטואציות בהן ייתכן ואפשר להימנע מפסילת הTLB כולו. עבור כל סיטואציה סמנו האם חובה לפסול את כל ה TLB או לא. נמקו את תשובתכם! חלק ב (10 נקודות) נתונה טבלת הדפים הבאה במעבד 32 ביט כפי שנלמד בתרגולים. תזכורת: גודל דף הוא 4KiB, גודל מסגרת בטבלת דפים כגודל דף. cr3% מחזיק את הכתובת 0x00001000 טבלת הPDE בכתובת 0x00001000 מכילה: PDE 0: 0x00002, PTE_P, PTE_U, PTE_W PDE 1: 0x00003, PTE_P, PTE_U, PTE_W PDE 2: 0x00002, PTE_P, PTE_U, PTE_W all other PDEs are zero טבלת הPTE בכתובת 0x00002000 מכילה: PTE 0: 0x00005, PTE_P, PTE_U, PTE_W PTE 1: 0x00006, PTE_P, PTE_U, PTE_W all other PTEs are zero טבלת הPTE בכתובת 0x00003000 מכילה: PTE 0: 0x00005, PTE_P, PTE_U, PTE_W PTE 1: 0x00005, PTE_P, PTE_U, PTE_W all other PTEs are zero
Full original question text (raw OCR)
חלק א (12 נקודות)
מה תפקידו של ה TLB?
Virtual-to-physical address translationלמה כדאי להימנע מפסילת תוכן ה TLB?
Virtual-to-physical address translationבעת מעבר ממצב משתמש למצב גרעין. חובה / לא חובה. נימוק:
Virtual-to-physical address translationLinux VMA vm_flags interpretationCopy-on-write fork memory protectionבעת החלפת הקשר לחוט גרעין. חובה / לא חובה. נימוק:
Voluntary vs preemptive context switchPipe IPC semanticsבעת פינוי מסגרת לדיסק. חובה / לא חובה. נימוק:
Virtual-to-physical address translationLinux VMA vm_flags interpretationCopy-on-write fork memory protectionבעת החלפת הקשר בין תהליך אב לתהליך בן חובה / לא חובה. נימוק:
Voluntary vs preemptive context switchמהו תרגום הכתובת הוירטואלית הבאה 0x00801171 תשובה:
Virtual-to-physical address translationמה מספר הכתובות הוירטואליות המצביעות לכתובת הפיזית 0x00005555? ציינו אותם. תשובה: כתובות: 1. 4. 2. 5. 3. 6.
Virtual-to-physical address translationLinux VMA vm_flags interpretationCopy-on-write fork memory protection
The exam question — original PDF
pages 5, 6, 7Exactly as it appears on the exam paper.
Built from these components
Ordered basic → advanced. Master the earlier ones first.
Review the material
Read these before you answer — each verified slide teaches a component this question tests, and nothing from an unrelated topic is included. Tutorial slides show the actual slide image.
FD (file descriptors)כל פעולות קלט/פלט של תהליך בלינוקס מבוצעות דרך "קבצים":קבצים "רגילים" לאחסון מידע (/usr/file.txt) נמצאים בדיסק.התקני חומרה גם כן מיוצגים כקבצים, אבל נמצאים בזיכרון.למשל, העכברים המחוברים למחשב מיוצגים כ- /dev/input/mouseN .גם ערוצי תקשורת כמו pipes מיוצגים ע"י קבצים שנמצאים בזיכרון.הקשר בין תהליך לבין קובץ שהוא ניגש אליו נשמר, ברמת המשתמש, ע"י מספר שלם שנקרא file descriptor (FD).לדוגמה: קריאת המערכת open() מחזירה FD.המשתמש מעביר את ה-FD לקריאות מערכת כמו read(), write() כדי לקרוא ולכתוב לקובץ.מערכות הפעלה - תרגול 320
שחרור file objectשאלה: מי מבצע את שחרור הזיכרון של file object? מתי ניתן לשחררו? ייתכנו מצבים בהם תהליכים שונים מצביעים לאותו file object, לכן שחרור ה-file object יכול להתבצע רק לאחר ביצוע close() מכל התהליכים החולקים את אותו ה-file object. זכרו של-file object יש מונה (f_count) הסופר את כמות התהליכים המצביעים עליו בכל רגע נתון. המונה קטן באחד עם כל פעולת close() על האובייקט. כאשר המונה מתאפס, ה-file object ישוחרר.מערכות הפעלה - תרגול 342
מהי החלפת הקשר?מערכות הפעלה - תרגול 610
מהי החלפת הקשר?לכל תהליך יש "הקשר ביצוע" (execution context) המכיל את כל המידע הדרוש לביצוע התהליך.מחסניות, רגיסטרים, תכולת זיכרון, קבצים פתוחים, ..."החלפת הקשר" = עצירת הביצוע של התהליך הנוכחי ושמירת ההקשר שלו.טעינת ההקשר של התהליך הבא לביצוע.הקשר התהליך הנוכחי מתחלף – מכאן שם הפעולה "החלפת הקשר".מערכות הפעלה - תרגול 611
שני סוגים של החלפת הקשרהחלפת הקשר כפויה(== הפקעה)הגרעין מפקיע (כלומר, לוקח בכוח) את המעבד מהתהליך, למשל בעקבות:פסיקת שעון (מטופלת בשגרה scheduler_tick) אשר מגלה כי הזמן שהוקצב לתהליך הנוכחי אזל.אירוע אסינכרוני אשר מעיר תהליך בעל עדיפות טובה יותר מהתהליך הרץ כרגע.לדוגמה: פסיקת דיסק או שחרור מנעול שתהליך המתין לו.החלפת הקשר יזומההתהליך מוותר מרצונו על המעבד, למשל באמצעות:קריאת מערכת חוסמת (כמו wait(), read(), …) אשר מוציאה את התהליך להמתנה.קריאת מערכת exit() אשר מסיימת את התהליך.קריאת מערכת sched_yield() – קריאת מערכת ייעודית לוויתור על המעבד.מערכות הפעלה - תרגול 613
טבלת הדפים (page table)לכל תהליך יש טבלת דפים משלו – מבנה נתונים אשר ממפה בין דפים למסגרות.ניתן לממש טבלת דפים באמצעות מבני נתונים שונים: מערך פשוט, עצים, טבלאות גיבוב (hash tables), ...עבור כל דף במרחב הזיכרון הווירטואלי של התהליך, יש כניסה בטבלת הדפים אשר מציינת:האם הדף נמצא בזיכרון ובאיזו מסגרת?האם הדף נמצא בדיסק ובאיזה מיקום?האם הדף מעולם לא הוקצה? (כלומר איננו בזיכרון ואיננו בדיסק)טבלת הדפים אחראית לתפקידים נוספים כמו הגנת גישה.למשל: טבלת הדפים מסמנת דפים לקריאה בלבד ומונעת גישות כתיבה.19מערכות הפעלה - תרגול 10
סיכום: תהליך התרגום במעבדי אינטל39the CPU searches the TLBhitmissthe CPU walks the page tablecompletedpage faultphysical addressvirtual addressthe OS serves the page faultמערכות הפעלה - תרגול 10
סיכום השיעור שעבר2the CPU searches the TLBhitmissthe CPU walks the page tablecompletedpage faultphysical addressvirtual addressthe OS serves the page faultמערכות הפעלה - תרגול 10
מה נלמד היום?3the CPU searches the TLBhitmissthe CPU walks the page tablecompletedpage faultphysical addressvirtual addresskill the process or the entire systemfix the page table and retrythe OS serves the page faultinvalidvalidמערכות הפעלה - תרגול 10
הרשאות של אזור זיכרוןהדגלים המציינים את הרשאות האזור נשמרים בשדה vm_flags והם מאפשרים לגרעין לסווג גישות חוקיות ולא חוקיות לדפים באזור.VM_READ, VM_WRITE, VM_EXEC – האם מותר לקרוא/לכתוב/לבצע נתונים בדפים באזור.VM_MAYREAD, VM_MAYWRITE, VM_MAYEXEC – "הרשאת הרשאה" לכל אחת מההרשאות הנ"ל.לדוגמה VM_MAYWRITE קובע האם מותר להדליק את VM_WRITE.הדגלים האלה קשורים לקריאת המערכת mprotect() – מעבר לחומר הקורס.VM_SHARED – האם צריך לשתף דפים באזור זה עם תהליכי בן.VM_LOCKED – אסור לפנות את הדפים באזור מהזיכרון לדיסק.17מערכות הפעלה - תרגול 10
מרחבי זיכרון וקריאות מערכתחוטים הנוצרים ע"י קריאת המערכתclone() משתפים את מרחב הזיכרון ע"י הצבעה לאותו מתאר מרחב הזיכרון של תהליך האב.יש להגדיל את מונה השיתוף (mm_users) של מתאר מרחב הזיכרון של תהליך האב.קריאת המערכת execv() ודומותיה טוענות תהליך חדש ולכן הן משחררות את מרחב הזיכרון ומקצות אחד חדש.קריאת המערכתfork() מקצה לתהליך הבן מרחב זיכרון משלו.במקרה שכזה צריך להעתיק את מרחב הזיכרון של האב לזה של הבן.בפועל, בדרך-כלל אין באמת העתקה בזכות מנגנון copy-on-write.23מערכות הפעלה - תרגול 10
הפתרון: copy-on-write (COW)הרעיון של מנגנון copy-on-write (COW) הוא:דפים הניתנים לכתיבה שאינם יכולים להיות משותפים (לדוגמה, המחסנית), מוגדרים בתחילה כמשותפים אבל מועתקים לעותק פרטי כאשר אחד התהליכים השותפים (האב או הבן) מנסה לכתוב אליהם לראשונה.שאר הדפים (כדוגמת דפי קוד או דפי נתונים לקריאה בלבד) הופכים למשותפים בין מרחבי הזיכרון של האב והבן.מנגנון COW פותר את שתי הבעיות שהוצגו קודם:COW מקטין את זמן הביצוע של fork() כי הוא "פורס לתשלומים" את ההעתקה של כל מרחב הזיכרון להרבה העתקות קטנות בגודל דף שיתבצעו בעתיד---בכל כתיבה ראשונה לדף שאינו משותף.במידה ותהליך הבן יבצע מיד execv(), מרחב הזיכרון שלו יימחק וכך תיחסך רוב פעולת ההעתקה.27מערכות הפעלה - תרגול 10
father processpage tablememory regionsדוגמה: לפני קריאת מערכת fork()28…PTE #11r/w = 1…frame #250count == 1מערכות הפעלה - תרגול 10region #1VM_MAYWRITE=1VM_WRITE=1region #2
COW: טיפול ב-page faultתרחיש הטיפול: האב או הבן מנסים לכתוב לדף מוגן ע"י COW.המעבד ניגש לסיביות הבקרה ב-PTE של הדף, ומגלה כי r/w כבוי.המעבד יוצר חריגת דף (page fault).הגרעין מטפל בחריגה, ובודק שהדף שייך לאחד מאזורי הזיכרון ושהגישה בכלל חוקית (דגל VM_WRITE דלוק במתאר האזור).הגרעין בודק את ערך המונה השיתוף של המסגרת:אם count > 1, מקצים מסגרת חדשה, מעתיקים אליה את המסגרת המקורית, ומצביעים את הדף למסגרת החדשה.במסגרת הישנה מבוצע count-- .במסגרת החדשה מוצב count = 1 .בעותק החדש מאופשרת הכתיבה.אחרת (count == 1), הגרעין פשוט מאפשר כתיבה בדף ע"י הדלקת הדגל r/w.37מערכות הפעלה - תרגול 10
The exam text, the skills it tests, and the exact slides are already in context.