Embedded System Study

Hàm pow là hàm có sẵn trong thư viện chuẩn của C <math.h>. Nhưng đây là cách để viết một hàm pow với performance nhanh nhất. Cùng thamg khảo nhé

int ipow(int base, int exp)
{
    int result = 1;
    while (exp)
    {
        if (exp & 1)
            result *= base;
        exp >>= 1;
        base *= base;
    }

    return result;
}

Address translation là cách mà hệ điều hành dịch từ địa chỉ virtual address sang địa chỉ physical address để truy cập đến vùng nhớ thực sự nằm trên RAM

Tình huống:
Hệ điều hành 32 bit quản lý 256 MB RAM và 4kB pages.

Khi đó chúng ta vẫn có 1 entry của Virtual Memory có độ dài 32 bit. Tức là mỗi process sẽ có thể  truy cập tới 4GB bộ nhớ ảo.

Nhưng vì chỉ có 256 MB RAM trên thực tế nên chỉ cẩn 28 bit để quản lý physical address. Vậy làm thế nào để convert từ virtual memory (32 bit) sang Physical Memory (28 bit).

Đó là công việc của Page Table (như đã đề cập ở phần 5)

Mỗi PTE (Page Table Entry) trỏ tới một vùng nhớ rộng 4kB, vậy là cần 12 bit để quản lý 1 page. 12 bit này không cần translate mà sẽ được copy y nguyên từ virtual memory sang physical memory. Người ta gọi là "offset" trong 1 page.

Vậy là còn 20 bit đầu của Virtual memory (32 -12) phải covert sang 16 bit Physical Memory (28 - 12)

Tóm lại
Một địa chỉ được chia làm 2 phần: Page Number + Page offset
Page Number chỉ cho chúng ta đến địa chỉ của Page
Page offset cho chúng ta biết địa chỉ ô nhớ trong 1 Page



Khi nói đến mapping thì 1 page trên virtual memory sẽ được map với 1 page trên physical memory, nên địa chỉ offset không thay đổi. Chúng ta chỉ cần chuyển hóa từ địa chỉ virtual memory page sang thành physical memory page mà thôi.

Có một câu hỏi dành cho các bạn
Tại sao chúng ta lại cần nhiều bit để thể hiện virtual address hơn so với physical address?

• Tại vì page offset của virtual address và page offset của physical address là khác nhau
• Dung lượng của Virtual memory lớn hơn physical memory
• Page table không thể map từ số lượng bit nhỏ sang số lượng bit lớn hơn

Tổng quan
Page table là một bảng mapping giữa Virtual Address (VA) và Physical Address.
Page Table Entry (PTE) là đơn vị của bảng Page, mỗi địa chỉ virtual (VA) sẽ có một PTE

Vậy chúng ta cần bao nhiêu entries (PTE) trong bảng Page Table?

• Mỗi entry cho 1 byte, 2^32 = 4 tỷ entries
• Mỗi entry cho 1 word, 2^30 = 1 tỷ entries

• 4
• 4096
• 4100
• Unknown

Virtual Memory hoạt động như thế nào?

Keyword là phân chia vùng nhớ (seperate memory spaces). Từ phía process nhìn memory chính là virtual memory. còn VM quản lý việc cấp phát và sử dụng physical memory ở trên RAM

Virtual Address chính là địa chỉ để các chương trình sử dụng, còn physical address là địa chỉ vật lý được gắn trên RAM.

Mỗi chương trình sẽ có thể truy cập vào toàn bộ vùng virtual memory của nó (từ 0 đến 2^32 -1)

Một chương trình truy cập memory như thế nào?

Ví dụ process phải xử lý một lệnh ASM như sau:

ld R3, 1024(R0)

Load giá trị từ vùng nhứ 1024 vào thanh ghi R3. Lúc này process sẽ  truy cập vào thanh ghi 1024 trên virtual memory space. Hệ điều hành sẽ map địa chị 1024 của VM sang địa chỉ vật lý trên RAM và truy cập tới để lấy giá trị. Hệ điều hành sẽ giúp đọc giá trị của vùng nhớ cần truy cập và trả về cho process.



Tương tự như vậy, một lệnh nữa

ld R2, 512(R0)

Nếu trên RAM không có dữ liệu (mapping chỉ ra disk) thì OS (hệ điều hành) sẽ tìm vùng nhớ đó trên disk, load giá trị đó lên RAM và sửa lại bộ mapping. Sau đó thì return lại giá trị cho process

Như đã đề cập đến ở phần trước, đôi khi các hệ thống không có đủ RAM (4GB cho 32 bit Operating System), cho nên việc không có một cơ chế ở giữa để mapping địa chỉ process với địa chỉ memory sẽ khiến cho việc truy cập vào RAM gây ra crash hệ thống

Chính vì vậy chúng ta cần một Virtual Memory nằm giữa các chương trình và RAM. Mục tiêu của virtual memory sẽ giúp chúng ta map địa chỉ của các process với RAM một cách hiệu quả nhất.

Kể từ đây các thao tác trên process sẽ chỉ tác động trực tiếp tới Virtual Memory.

Giải quyết vấn đề thiếu bộ nhớ (RAM)

Giả sử bạn có 1GB RAM trong hệ thống, vậy thì 3GB thông tin còn lại sẽ được lưu trên ổ cứng (disk). Khi bạn truy cập đến một địa chỉ, việc đầu tiên là OS sẽ kiểm tra trên bảng mapping của VM để biết xem địa chỉ vật lý của vùng nhớ bạn muốn truy cập là ở đâu.


Trường hợp đẹp nhất là nó đang được load trên RAM, khi đó thì việc lấy và sử dụng dữ liệu hết sức đơn giản. Mapping giúp truy cập đến vùng nhớ vật lý, process sẽ lấy và sử dụng dữ liệu

Trường hợp kém đẹp hơn là bộ Mapping cho biết vùng nhớ bạn muốn truy cập đang nằm trên ổ cứng, chưa được load vào RAM. Lúc này VM sẽ làm công việc là đưa dữ liệu ít được sử dụng nhất ra khỏi RAM sang ổ cứng (disk) rồi đưa dữ liệu bạn muốn truy cập từ ổ cứng vào RAM cập nhật lại bảng Mapping, đồng thời trả lại dữ liệu cho bạn. Quá trình này sẽ tốn rất nhiều công đoạn và giảm tốc độ xử lý của hệ thóng.

Vì thế một trong những giải pháp để xử lý vấn đề máy chậm là mua thêm RAM

Giải quyết vấn đề thứ hai: tối ưu hóa bộ nhớ

Quay lại vấn đề thứ hai khi chúng ta có đầy đủ 4GB RAM nhưng hệ thống vẫn không thể load được hai chương trình có tổng bộ nhớ là 4GB.

Giờ đây giải pháp VM sẽ giúp chúng ta Map vùng nhớ của các process lên RAM một cách rất linh hoạt

Ba vấn đề của Memory (RAM) khiến chúng ta nghĩ đến việc sử dụng Virtual Memory

1. Chúng ta không có đủ RAM

Virtual Memory là gì

là một loại bộ nhớ khả biến cho phép truy xuất đọc-ghi ngẫu nhiên đến bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ dựa theo địa chỉ ô nhớ

Hiểu đơn giản là bộ nhớ thực thi các dòng lệnh của chương trình, cần chạy chương trình gì thì đưa lên RAM để chạy.

Dung lượng hiện giờ của RAM (thời điểm tháng 3 năm 2017) trên mỗi máy tính để bàn hoặc laptop bét nhất cũng 4Gb, ngoài ra còn có thể có nhiều hơn (8Gb, 16Gb).

RAM càng lớn thì khả năng truy suất dữ liệu của máy bạn càng nhanh hơn, đồng nghĩa với việc thời gian thực thi một chương trình cũng nhanh hơn

ROM 

ROM thì mang nghĩa bộ nhớ chỉ đọc. Nó chứa các đoạn code đặc biệt của hệ thống và chỉ cho phép mình đọc ra từ nó, chương trình mình viết ra sẽ không có quyền ghi lên ROM để tránh một ngày xấu trời đoạn code của bạn sẽ đánh sập cả hệ thống

Công nghệ phát triển, ROM giờ cũng có thể ghi được, nhưng bạn yên tâm là việc ghi lên ROM cần có các thủ tục đặc biệt, không đơn giản như mấy câu lệnh "Hello World" đâu nhé


DISK

Disk tiếng Việt dịch ra là ổ cứng, là một nơi lưu trữ tất cả các thể loại nội dung mà bạn muốn từ file nhạc, video, movie cho đến ảnh bạn gái, clip phim Ma...

Dung lượng của Disk thông thường từ 512G cho tới hàng Tb

Ổ cứng cũng có rất nhiều loại, nhưng phổ biến nhất hiện giờ vẫn là HHD và SSD. Chi tiết về hai cái này các bạn tìm hiểu thêm ở trên mạng hoặc chờ mình hôm nào nghiên cứu tiếp sẽ viết bài :D

"Chúng" hoạt động như thế nào

Nói nôm na là như vầy:

Khi bật máy tính lên, chương trình đầu tiên (trong Linux gọi là bootloader) sẽ đọc trong vùng nhớ ROM để biết một số thông tin trong quá trình boot.

Khi máy tính đã chạy rồi thì mỗi khi muốn thực thi một chương trình, các biến dữ liệu sẽ được đưa từ bộ nhớ vào RAM để hệ điều hành có thể truy suất, thực thi các phép tính cộng trừ nhân chia ...

Nôm na là vậy, ở phần II, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về các vấn đề của bộ nhớ