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Writerside/in.tree

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             <toc-element topic="12_Virtualisierung.md"/>
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Writerside/topics/BS/14_Speicherabstraktion.md

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+# Speicherabstraktion
+> Idee, dass Anwendungen und Benutzer nicht direkt mit physischem Speicher interagieren müssen.
+> Sie können stattdessen auf einer höheren, abstrakten Ebene arbeiten
+> 
+> Ermöglicht einfachere, flexiblere Verwendung des Speichers, da Details der physischen Speicherhardware
+> vor Benutzer und Anwendung verborgen werden. 
+
+
+## Adressräume
+- Gesamter Bereich von Speicheradressen, welcher durch System/Prozess verwendet werden kann
+- ermöglicht Beschränkung des Zugriffs auf bestimmte Speicherbereiche 
+  - Sicherheit & Integrität gewährleisten
+  - unautorisierten Speicherzugriff verhindern
+
+## Relokation
+- Jede Anwendung bekommt eigenen Adressraum des physischen Speichers
+- Dafür Spezialregister in der CPU
+  - ermöglichen laden von Programmen in den Speicher ohne Relokation
+  - **Basisregister**
+    - Startadresse des Programms
+  - **Limitregister**
+    - Länge des Programms
+- **Nachteil:**
+  - Bei jedem Speicherzugriff Addition und Vergleich ausführen
+    - Addition benötigt wegen Carry-Bit lange
+    - _Vergleich ist fine_
+
+> In der Praxis ist die benötigte RAM-Menge oft größer als der physische Speicher
+
+## Swapping
+- Prozesse zwischen primären Speicher(RAM) und sekundären Speicher (Festplatte) austauschen
+- Entlastung des RAM durch Auslagerung nicht benötigter Prozesse
+- Kann Leistung beeinträchtigen
+  - Zugriff auf sekundären Speicher dauert länger
+- ![image_285.png](image_285.png)
+
+> Sehr erfolgversprechend, da normale SATA nur Max-Übertragungsgeschwindigkeit von einigen 100MB/s hat
+> 
+> → es dauert Sekunden, um ein 1GB-Programm aus-/einzulagern
+
+
+## Virtual Memory
+- Virtueller Speicher ermöglicht mehr Speicher zu verwenden als vorhanden ist
+- Physischer Speicher und ein Teil der Festplatte werden als virtueller Speicher behandelt
+- BS kann effizienten Gebrauch von begrenzten RAM machen
+  - Prozesse und Daten dynamisch zwischen physischem Speicher und sekundärem Speicher verschieben
+    - Gesamtleistung optimieren :)
+- 
+
+## Dynamischer Speicher
+- Speicherplatz, der zur Laufzeit eines Programms dynamisch angefordert, freigegeben wird
+  - Speicherplatz während Laufzeit variieren
+  - bietet Flexibilität
+    - Programme können während Ausführung an sich ändernde Anforderungen reagieren
+      - müssen nicht im Voraus Speicherplatz reservieren
+- Wird oft im Heap reserviert 
+  - Heap wird meist für lokale Variablen, Funktionsaufrufe verwendet
+  - ermöglicht Heap dynamische Zuweisung von Speicherplatz
+- Programmierer ist für Freigabe von Speicherplatz verantwortlich
+  - vernachlässigte Freigabe kann zu Speicherlecks führen
+  - einige Programmiersprachen haben eine automatische Speicherverwaltung (_Garbage Collection_)
+- ![image_286.png](image_286.png)
+
+## Paging
+- Speicherverwaltungstechnik
+  - Virtueller Speicher wird in kleine, gleichgroße Blöcke (_Seiten_) unterteilt
+    - Können dann in physischem Speicher / Festplatte ausgelagert werden ([Swapping](#swapping))
+  - Adressen werden mithilfe von Indizierung, Basisregistern und Segmentregistern generiert
+    - = virtuelle Adresse, bildet virtuellen [Adressraum](#adressr-ume)
+    - virtueller Adressraum besteht aus Einheiten fester Größe
+      - werden _Seitenrahmen (page frame)_ genannt
+- Beispiel:
+  - ![image_287.png](image_287.png)
+  - Seiten und Seitenrahmen sind hier 4KB
+    - normalerweise von 512 Byte - 1GB
+- Present-/Absent-Bit zeigt an, ob Seiten physisch im Speicher vorhanden sind
+- Greift Programm auf einen Speicherbereich zu, der noch nicht in den Speicher geladen wurde
+  - Seitenfehler (_page fault_) wird ausgelöst
+    - BS gibt einen Seitenrahmen im Speicher frei
+    - BS lädt entsprechende Seite in jetzt freien Seitenrahmen
+    - Befehl wird nochmal ausgeführt
+- ![image_288.png](image_288.png)
+- Muss schnell gehen, da es sonst zu Engpass wird
+  - Meist < 0,2 ns
+- Jeder Prozess hat eigenen Adressraum
+  - benötigt eigene Seitentabelle
+
+
+## Memory Management Unit (MMU)
+- virtuelle Adresse, die von Prozessen/Programmen verwendet werden in physische Adressen umwandeln
+  - mithilfe von Seitentabellen oder anderen Mechanismen
+- Schlüsselelement des Speichermanagements
+  - zentrale Rolle bei Implementierung von Funktionen
+    - wie virtuellem Speicher und Paging
+- ![image_289.png](image_289.png)
+- 16Bit Adresse wird in 4-Bit-Seitennummer und 12Bit Offset zerlegt
+  - 4 Bit → 16 Seiten
+  - 12 Bit → 4096 Byte adressierbar
+  - ![image_290.png](image_290.png)
+- [YouTube: _Virtuelle Speicherverwaltung mit MMU_](https://www.youtube.com/watch?v=QPL-xJ6ePqQ)
+
+## Translation Lookaside Buffer
+- Assoziativer Speicher (TLB) für schnellere Adressumwandlung der MMU
+  - Puffert Seitenzugriffe
+    - ermöglicht direkteren Zugriff auf wichtige Informationen der Speichertabelle
+      - ohne Zugriff auf Seitentabelle
+- enthält nur wenige Einträge
+  - Schnelle Suche
+- Arbeitet als Cache für MMU