04 - Memoria virtual. Técnicas de gestión

Las necesidades de manejar memoria crecen dado que el tamaño de la memoria real estaba limitado, los programas eran cada vez más grandes y los procesadores tenían mayor potencia.

Así surge la Memoria virtual, capaz de manejar mas espacio en memoria que la memoria principal, valiéndose tanto de la memoria principal como de una cantidad determinada de almacenamiento secundario.

Esta estrategia del SO, permite utilizar el disco como si fuera RAM, así, cuando un programa es más grande que el tamaño físico de la RAM, lo que se hace es pasar a disco las porciones de RAM que no se estén utilizando en un momento determinado, dejando solo en memoria las partes del programa que se estén ejecutando. Los programas no se dan cuenta de todo lo que esta ocurriendo por debajo, sin embargo como la velocidad de acceso a disco es miles de veces mas lenta que la de la RAM, a la hora de devolver porciones del programa a memoria desde el disco, el sistema puede comportarse de manera más lenta (sobre todo cuando se cargan muchos procesos de forma simultánea).

La clave del concepto de memoria virtual está en la disociación entre direcciones virtuales a las que hace referencia un programa y direcciones reales que son las disponibles en memoria real.

El funcionamiento consiste en lo siguiente:

• El SO intercambia en memoria principal programas o procesos enteros en particiones de memoria y al mismo tiempo maneja segmentos y páginas, entre memoria real y memoria secundaria.
• Los procesos hacen referencia a direcciones virtuales pero éstas deben ejecutarse en la memoria, así se produce un proceso de traducción entre direcciones virtuales y reales, mientras el proceso está en ejecución.
• El proceso de traducción debe ser suficientemente rápido para no degradar el sistema. 

Los métodos más comunes de implementación de memoria virtual son:

• Técnicas de Paginación.
• Técnicas de Segmentación.
• Una combinación de ambas técnicas (Paginación Segmentada o Segmentación Paginada). 

1- Paginación

Técnica que consiste en dividir la memoria en zonas iguales llamadas marcos de página. A su vez los los procesos (un proceso es un programa en ejecución) también se dividen en partes del mismo tamaño, denominadas páginas. El SO se encarga de asignar los marcos de página necesarios a cada proceso y mantiene una estructura llamada tabla de páginas que indica en que marco está cada página y también una lista de marcos libres.

La asignación de los marcos de página a las páginas no tiene que ser consecutiva y un proceso puede estar ubicado en marcos no contiguos.

Uno de los principales inconvenientes de esta técnica es la Fragmentación Interna.

Esquema de paginación de memoria

Nota: El tamaño de los marcos de página se diseña mediante hardware

2- Segmentación

A diferencia de la paginación, en la segmentación la memoria principal no se particiona. Lo que se hace es dividir los procesos en zonas de tamaño variable denominadas segmentos. El SO mantiene una tabla de segmentos para cada proceso indicando la dirección de carga y la longitud de cada segmento. La asignación de segmentos tampoco tiene que ser contigua.

Uno de los principales inconvenientes de esta técnica es la Fragmentación Externa.

Fragmentación

La fragmentación de la memoria es la memoria que queda desperdiciada al usar los métodos de gestión de memoria. La hay de dos tipos: Externa e Interna

Fragmentación externa e interna

Externa

Existe espacio total de memoria para satisfacer un requerimiento, pero no es contigua. La fragmentación externa se puede reducir mediante la compactación para colocar toda la memoria libre en un solo gran bloque, pero solo es posible si la relocalización es dinámica y en tiempo de ejecución.

Interna

El hecho de asignar memoria en bloques de tamaño fijo y predefinido se traduce en que la memoria asignada puede ser ligeramente mayor que la que realmente se necesita, en cuyo caso se desperdicia cierta cantidad. Se podría evitar permitiendo la asignación exacta de memoria que necesite cada proceso de forma dinámica.

Observación

Una estrategia común para reducir el impacto de la fragmentación es separar las zonas del sistema de archivos que experimenten muchas mas lecturas y escrituras de otras zonas más volátiles donde se crean y borran continuamente archivos. Por ejemplo el SO se compone de carpetas estáticas que se modifican con mucha menor frecuencia que los Perfiles de los usuarios donde se suele estar creando y destruyendo información continuamente. Al separar ambas zonas en particiones independientes logramos que el desfragmentador trabaje de forma mucho más eficiente.

03 - Particiones Windows 10 - BIOS/UEFI

Se puede realizar una instalación de Windows en modo legacy  BIOS para que sea compatible con el viejo particionado MBR o en modo UEFI para utilizar el nuevo particionado GPT. La instalación por defecto en el caso de que no haya particiones creadas (disco limpio), crea un esquema de particiones ligeramente diferente en cada caso.

Veamos diferencias entre ambos modos a la hora de instalar Windows 10 Education 22H2 en un disco de 60GB y dejando que el SO decida por defecto. Se muestra el administrador de discos y Diskpart desde Windows.

BIOS (arranque csm)

• Reservada de 50MB, ha ido cambiando el tamaño entre distintas versiones de Windows 10). Es la partición de arranque y contiene ficheros para el arranque de Windows, bootmgr entre otros.
• Principal del sistema (tamaño variable). Es donde está instalado el sistema operativo, los programas y si no se colocan en otra partición también los datos.
• Recuperación (535MB). Contiene utilidades de recuperación y también se usa para manipular particiones reservadas cifradas

UEFI (arranque uefi)

• Reservada de 100MB, es la partición de arranque y contiene ficheros para el arranque UEFI
• Reservada de 16MB para EFI, solo es visible desde consola y ayuda en las labores de administración del particionado GPT
• Partición principal del sistema (tamaño variable). Es donde está instalado el sistema operativo, los programas y si no se colocan en otra partición también los datos.
• Recuperación (535MB). Contiene utilidades de recuperación y también se usa para manipular particiones reservadas cifradas

Recuerda que para instalar Windows en modo UEFI, hay que arrancar en modo UEFI con una iso de Windows de 64bits y el disco del sistema se formateará en GPT (puede haber otros discos MBR).

Separar SO y Datos

Independientemente del sistema operativo y del modo instalación: BIOS o UEFI es muy recomendable que el sistema operativo y los datos de usuario se sitúen en particiones diferentes, o mejor si es posible en discos diferentes.

La partición que alberga el SO suele ser la que más daños sufre debido a diversos problemas como ataques, apagones, corrupción de información, actualizaciones entre otros muchos. En una situación difícil, podríamos tener que reinstalar el SO y si los datos están en la misma partición hay más posibilidades de perder información.

Si almacenamos los datos en una partición aparte, solo tendríamos que arreglar la partición del SO sin poner en peligro los datos, y sin trabajo innecesario. Si además, esa partición esta en un segundo disco, todavía tendríamos un mayor nivel de seguridad ya que aunque se rompiera definitivamente el disco del SO, el de los Datos podría conservarse intacto. 

Hoy en día con las unidades de estado sólido SSD, se hace casi obligatorio almacenar los datos fuera del SSD, que normalmente alberga el SO, porque además, estas unidades en muchas situaciones no permiten recuperar los datos tan fácilmente como los discos duros.

Además de estas razones también se reduce el impacto de la fragmentación beneficiando al rendimiento del disco.

Instalaciones UEFI

En primer lugar volvemos a recordad que instalar el SO operativo en modo UEFI implica elegir esquema de particionado GPT. También es recomendable que el disco se encuentre limpio sin particiones antes de proceder (Shift + F10 y Diskpart pueden ayudar con esto)

Además el dispositivo de arranque desde donde vamos a instalar el sistema tiene que arrancar en modo UEFI. Si es un USB, hay que montar la iso de Windows 10 con alguna herramienta tipo Rufus en modo UEFI.

Si el SO no está certificado (firmado por Microsoft), habría que desactivar el arranque seguro en la UEFI porque la instalación fallaría a la hora de actualizar la configuración de arranque. Si el SO no esta preparado para instalación UEFI además habrá que seleccionar en la UEFI el modo CSM que permite arranques compatibles con BIOS y montar la iso con Rufus de la forma que corresponde.

Arranque seguro (Secure Boot)

Es un firmware propio de UEFI,  embebido en la máquina, que exige que el SO y sus drivers estén firmados digitalmente y que dicha firma concuerde con el firmware embebido.

Microsoft, con la excusa de evitar la carga de malware o aplicaciones no fiables,  lo implementa en la propia arquitectura del SO a partir de W8, obligando a que el SO y sus drivers estén firmados digitalmente. Además para que los equipos comercializados con W8 puedan tener la pegatina oficial tienen que implementar arranque seguro UEFI.

El arranque seguro debe ser posible desactivarlo ya que muchos sistemas operativos no lo implementan y por lo tanto no podrían instalarse. La mayoría de fabricantes permiten la posibilidad de desactivarlo en UEFI pero ya no es obligatorio y algunos no lo hacen generando malestar.

Actualmente gran parte de Linux 64 bit modernos ya entregan sus SO firmados para poder utilizar arranque seguro.

https://www.xataka.com/basics/que-secure-boot-uefi-como-puedes-desactivarlo

Observación: Practica inicios de instalación de Windows en ambos modos para ver los distintos esquemas de particionado que se crean por defecto. Aprende a separar los datos del sistema.