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Primero: gestión de memoria MMU
MMU (Unidad de gestión de memoria, unidad de gestión de memoria) es un módulo de hardware que se utiliza para implementar la gestión de memoria virtual entre la CPU y la memoria.
Su función principal es convertir direcciones virtuales en direcciones físicas y al mismo tiempo proporcionar funciones como control de acceso y gestión de caché. MMU es una parte importante del sistema operativo informático moderno, que puede mejorar la estabilidad y seguridad del sistema.
En términos de gestión de memoria, la MMU puede implementar la gestión de memoria virtual a través de la tabla de páginas. La tabla de páginas es una estructura de datos que registra la relación de mapeo entre cada página virtual y su página física correspondiente.
Cuando la CPU emite una dirección virtual, la MMU la busca en las tablas de páginas y la traduce a la dirección física correspondiente.
Además, la MMU también puede implementar funciones como protección de memoria y uso compartido a través de la tabla de páginas, mejorando así la seguridad y eficiencia del sistema.
En resumen, MMU es un componente de hardware importante en la administración de la memoria, que puede realizar funciones como la administración de la memoria virtual, la protección de la memoria, el uso compartido y el almacenamiento en caché, y brinda soporte para la estabilidad y seguridad de los sistemas operativos de las computadoras modernas.
Segundo: da un ejemplo
Supongamos que tenemos un programa que necesita acceder a dos áreas de memoria: una es un área de código de solo lectura y la otra es un área de datos que se pueden leer y escribir.
Ahora queremos ejecutar este programa en un sistema sin MMU. Si no hay MMU, el área de código y el área de datos solo se pueden asignar a dos direcciones físicas fijas. Esto significa que si un programa intenta acceder a una dirección incorrecta, puede bloquear el sistema.
Ahora bien, si ejecutamos este programa en un sistema con una MMU la cosa será diferente. La MMU puede asignar las direcciones a las que el programa intenta acceder a diferentes direcciones físicas, de modo que el área de código y el área de datos ya no sean ubicaciones fijas en la memoria física.
Esto significa que si un programa intenta acceder a una dirección incorrecta, la MMU puede proteger el sistema para que no falle mediante la reasignación.
MMU también puede asignar múltiples direcciones virtuales a la misma dirección física, lo que se denomina uso compartido de páginas, lo que puede reducir el uso de memoria física.
Si no hay MMU, el programa solo puede usar la dirección física al acceder a la memoria, y la dirección física se asigna directamente a la dirección en el chip de memoria, y el programa puede acceder a cualquier dirección física a voluntad.
En este caso, si el programa accede a una dirección incorrecta o intenta acceder a una dirección no autorizada, se producirá un error de acceso o un acceso ilegal, lo que puede provocar problemas como fallos del sistema y pérdida de datos.
Con la MMU, el programa accede a la dirección virtual y la MMU es responsable de asignar la dirección virtual a la dirección física, de modo que el programa no puede acceder directamente a la dirección física.
Al mismo tiempo, la MMU puede restringir el acceso del programa a la memoria de acuerdo con la autoridad de acceso a la memoria para garantizar la seguridad y estabilidad del sistema.
Por lo tanto, cuando no hay MMU, el programa puede acceder a otras direcciones, pero con la MMU, el programa solo puede acceder a las direcciones a las que se le permite acceder, lo que puede evitar efectivamente el problema del acceso ilegal.
Tercero: ¿Por qué el mismo espacio de direcciones virtuales no entra en conflicto en la dirección física?
El mismo espacio de direcciones virtuales puede asignarse a diferentes direcciones físicas en diferentes procesos, y la MMU completa este proceso de asignación. En el sistema operativo, cada proceso tiene un espacio de direcciones virtuales independiente y estos espacios de direcciones virtuales no interfieren entre sí.
La MMU asignará la dirección virtual de cada proceso a la dirección física correspondiente, de modo que los accesos a la memoria entre diferentes procesos no interfieran entre sí. Al mismo tiempo, la MMU también proporcionará algunos mecanismos de seguridad, como la protección de la página, para evitar que el proceso acceda a la memoria o acceda a la memoria de otros procesos.
Por lo tanto, la MMU desempeña un papel en la protección de la memoria entre procesos para que no interfieran entre sí y también es una parte importante del sistema operativo moderno.
Cuarto: ¿Qué es una tabla de páginas?
Una tabla de páginas es una estructura de datos que se utiliza para almacenar la relación de mapeo entre direcciones de memoria virtual y direcciones de memoria física. En los sistemas que utilizan memoria virtual, cada proceso tiene su propio espacio de direcciones virtuales, y estos espacios de direcciones virtuales se dividen en muchas páginas (generalmente de 4 KB o más), en lugar de un único bloque continuo de memoria.
Por lo tanto, cuando un proceso necesita acceder a una determinada dirección virtual, debe traducirse a la dirección física correspondiente. Este proceso de traducción se realiza a través de la tabla de páginas.
El principio básico de la tabla de páginas es dividir la dirección virtual en un número de página y un desplazamiento.
El número de página se utiliza para buscar el número de marco de página física correspondiente en la tabla de páginas, y el desplazamiento se utiliza para calcular el desplazamiento de la dirección virtual en el marco de página física. De esta forma, la dirección virtual se puede asignar a la dirección física, de modo que el proceso pueda acceder al área de memoria correspondiente.
La tabla de páginas generalmente la mantiene el sistema operativo, porque el sistema operativo necesita dominar la relación de mapeo entre direcciones virtuales y direcciones físicas.
En un sistema compatible con hardware que utiliza MMU (Unidad de administración de memoria), cuando un proceso accede a una dirección virtual, la MMU convierte la dirección virtual en una dirección física a través de la tabla de páginas y dirige el acceso a la dirección física correcta. De esta forma, un proceso puede acceder a la memoria sin conocer su dirección física real.
Quinto: ¿Por qué un sistema Linux no puede ejecutarse sin una MMU?
Esto se debe a que el kernel de Linux divide el espacio de direcciones virtuales en páginas y asigna estas páginas al espacio de direcciones físicas para funciones como aislamiento de memoria, protección y memoria virtual.
Sin la MMU, este mapeo no sería posible ejecutar un sistema Linux.
Sexto: ¿Por qué algunos SOC más simples pueden no tener una MMU, pero aun así pueden ejecutar algunos sistemas operativos integrados o programas básicos?
Los RTOS pueden ejecutarse en sistemas sin una MMU porque generalmente no necesitan funciones avanzadas como protección de memoria y asignación de direcciones virtuales.
Por el contrario, los RTOS están diseñados centrándose en el tiempo real y la baja latencia, por lo que normalmente sólo se requiere una simple gestión de la memoria y programación de tareas.
Esto permite que los RTOS se ejecuten en muchos sistemas integrados, incluidos algunos sin MMU.