第七章 實(shí)存管理技術(shù)

1、第七章 實(shí)存管理技術(shù),存儲器是計算機(jī)最重要的資源之一，內(nèi)存管理一直是操作系統(tǒng)最主要的功能之一。內(nèi)存容量一直是計算機(jī)硬件資源中最緊張的資源，特別在多道程序設(shè)計技術(shù)條件下，一方面要充分利用內(nèi)存容量，另一方面必須保證多個程序在內(nèi)存中互不干擾即保證內(nèi)存安全。存儲器管理技術(shù)分實(shí)存管理和虛存管理。,,,基本的存儲管理方法是分區(qū)法、覆蓋技術(shù)、交換技術(shù) 、分頁法、分段法、段頁法。,第七章 實(shí)存管理技術(shù),7.1 存儲管理的基本概念7.2 連

2、續(xù)分配存儲管理方式7.3 離散分配存儲管理方式7.4 交換技術(shù)7.5 覆蓋技術(shù),7.1 存儲管理的基本概念,7.1.1 存儲管理要解決的問題7.1.2 存儲管理的分類7.1.3 地址映射（重定位）,,7.1.1 存儲管理要解決的問題,早期計算機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存是最緊張的資源之一。為了在小內(nèi)存中運(yùn)行大程序，人們先發(fā)明了覆蓋技術(shù)。當(dāng)發(fā)明虛存管理技術(shù)后，才真正解決了在小內(nèi)存中運(yùn)行大程序的問題。為了有效管理計算機(jī)內(nèi)存資源

3、，操作系統(tǒng)的存儲管理要具備以下功能：1. 內(nèi)存空間分配與回收根據(jù)某種分配方式，遵循某種分配算法，為進(jìn)程分配內(nèi)存，當(dāng)進(jìn)程結(jié)束時再回收內(nèi)存。,,,2. 地址映射設(shè)計地址變換機(jī)構(gòu)，靜態(tài)和動態(tài)地址變換的方法。3. 內(nèi)存保護(hù)怎樣讓內(nèi)存中各個進(jìn)程互不干擾，怎樣保證內(nèi)存中程序、數(shù)據(jù)的安全。4. 內(nèi)存擴(kuò)充怎樣從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。這屬于虛存管理的范疇。,7.1.2 存儲管理的分類,從分配方式上按進(jìn)程在內(nèi)存中是否連續(xù)，可以把存儲管理分成連續(xù)分

4、配方式和離散分配方式兩類。1. 連續(xù)分配方式必須為進(jìn)程在內(nèi)存分配一片連續(xù)的空間。2. 離散分配方式允許將一個進(jìn)程分散地裝入內(nèi)存的多個不相鄰的區(qū)域。,,,從進(jìn)程是整體裝入還是局部裝入內(nèi)存可以把存儲管理分成實(shí)存管理和虛存管理兩類。1. 實(shí)存管理必須把進(jìn)程完整地裝入內(nèi)存。2. 虛存管理允許將一個進(jìn)程局部地裝入內(nèi)存。,7.1.3 地址映射（重定位）,1. 地址空間和存儲空間源程序經(jīng)過編譯或匯編產(chǎn)生目標(biāo)文件，目標(biāo)文件經(jīng)過連接和

5、裝配產(chǎn)生可以執(zhí)行的文件。在連接裝配時，語言系統(tǒng)并不知道將來這個執(zhí)行文件會放在內(nèi)存的哪個位置，為了方便地將執(zhí)行文件裝入內(nèi)存，把執(zhí)行文件中第一條指令的地址設(shè)為 0。 其他指令的地址都以它做參照。執(zhí)行文件中指令的地址稱相對地址或邏輯地址。而相對地址的集合稱相對地址空間，簡稱地址空間。,,,內(nèi)存每個字節(jié)都有一個地址，這是物理地址是真實(shí)的地址，也稱絕對地址。絕對地址空間也叫物理地址空間，簡稱存儲空間。一個程序的邏輯地址和它在內(nèi)存中的地址是不同的

6、，顯然必須先將邏輯地址變成物理地址后程序才能正確運(yùn)行。,,2. 靜態(tài)重定位 靜態(tài)重定位是由專門設(shè)計的重定位裝配程序來完成的，是在目標(biāo)程序裝入到內(nèi)存區(qū)時由裝配程序來完成地址轉(zhuǎn)換。 優(yōu)點(diǎn)：無需增加地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 缺點(diǎn) ：不能實(shí)現(xiàn)重新分配內(nèi)存 用戶必須事先確定所需的存儲量 每個用戶進(jìn)程需各自使用一個獨(dú)立的副本。,,Load #1,450,… …,… …,3500,0,100,450,… …,Load #1,2450,…

7、 …,3500,… …,… …,… …,2100,操作系統(tǒng),2000,2450,邏輯地址,物理地址,,,圖 7-2 靜態(tài)地址映射,,3. 動態(tài)重定位 動態(tài)重定位是在目標(biāo)程序執(zhí)行過程中，在CPU訪問內(nèi)存之前，由硬件地址映射機(jī)構(gòu)來完成將要訪問的指令或數(shù)據(jù)的邏輯地址向內(nèi)存的物理地址的轉(zhuǎn)換。 優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)存的使用更加靈活有效；幾個作業(yè)共享一程序段的單個副本比較容易；無需用戶干預(yù)，由系統(tǒng)來負(fù)責(zé)全部的存儲管理。 缺點(diǎn) ：需附加硬件支持

8、；實(shí)現(xiàn)存儲器管理的軟件比較復(fù)雜。,,Load#1,450,… …,… …,3500,0,100,450,… …,Load#1, 450,… …,3500,… …,… …,… …,2100,操作系統(tǒng),2000,2450,邏輯地址,物理地址,圖 7-3 動態(tài)地址映射,基址寄存器,2000,,＋,,,,7.2 連續(xù)分配方式,7.2.1 單一連續(xù)分配方式7.2.2 固定分區(qū)內(nèi)存管理方式7.2.3 可變分區(qū)內(nèi)存管理方式,,7.2.

9、1 單一連續(xù)分配方式,在單任務(wù)的操作系統(tǒng)條件下，讓用戶占用計算機(jī)所有資源，內(nèi)存管理采用單一連續(xù)分配方式。內(nèi)存被分成兩個區(qū)1. 系統(tǒng)區(qū) 供操作系統(tǒng)使用2. 用戶區(qū)供用戶放一個程序,操作系統(tǒng)區(qū),用戶區(qū)… …,,7.2.2 固定分區(qū)內(nèi)存管理方式,分區(qū)管理是滿足多道程序設(shè)計的一種最早采用的存儲管理方法。其基本原理是給每一個進(jìn)程在內(nèi)存中劃分一塊可用的存儲區(qū)，連續(xù)存儲各進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)，使各進(jìn)程能并發(fā)進(jìn)行。,,,內(nèi)存分配算法：

10、 （1）首次適應(yīng)法 空閑分區(qū)按物理地址為升序排列，在內(nèi)存現(xiàn)有空閑分區(qū)中，找到第一個可用的分區(qū)就分配。 （2）最佳適應(yīng)法 在內(nèi)存現(xiàn)有的空閑分區(qū)中，找一個浪費(fèi)最小的分區(qū)分配。,,（3）最壞適應(yīng)法 在現(xiàn)有內(nèi)存空閑區(qū)中，找一個浪費(fèi)最大的分區(qū)分配。 （4）唯一最佳分配法 作業(yè)按長度分類排隊(duì)，一個分區(qū)對應(yīng)一個隊(duì)，使這個隊(duì)中每個作業(yè)的長度小于等于分區(qū)的長度，使分配后內(nèi)存浪費(fèi)最小。從整體上看，這個算法也不是最佳的。

11、,,固定分區(qū)法 固定分區(qū)法就是把內(nèi)存固定劃分為若干個不等的區(qū)域，劃分的原則由系統(tǒng)決定。在整個執(zhí)行過程中保持分區(qū)長度和分區(qū)個數(shù)不變。操作系統(tǒng)為每個用戶作業(yè)分配一個分區(qū)。,內(nèi)存管理 :,管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)置內(nèi)存分配表內(nèi)存分配：每個區(qū)分配一個進(jìn)程內(nèi)存回收：簡單缺點(diǎn)：內(nèi)存利用率不高,如何記錄系統(tǒng)的狀況呢？,,,分配策略,分區(qū)4,分區(qū)3,分區(qū)2,分區(qū)1,操作系統(tǒng),0,100K,200K,400K,700K,1300K,,,,,,,多個輸入

12、隊(duì)列,分區(qū)4,分區(qū)3,分區(qū)2,分區(qū)1,操作系統(tǒng),0,100K,200K,400K,700K,1300K,,單個輸入隊(duì)列,,,,,,,,,,（a）唯一最佳分配算法,（b）其他分配算法,,,,,,,,,,,,固定分區(qū),,操作系統(tǒng)建立一個內(nèi)存分區(qū)管理表（分區(qū)號、分區(qū)長度、分區(qū)首址和分區(qū)狀態(tài)），所有分區(qū)按物理地址升序排列，每個分區(qū)占表中一行。操作系統(tǒng)為作業(yè)分配內(nèi)存時，按（1）、（2）、（4）中某個分配算法查表，有合適的分區(qū)就分配，否則就不分配。

13、 固定分區(qū)法管理方式雖然簡單，但是存在大量內(nèi)碎片（在分區(qū)內(nèi)存在空余的空間，這就稱為內(nèi)碎片），內(nèi)存利用率不高。,,內(nèi)存分區(qū)管理表,,地址映射對于固定分區(qū)，可以采用靜態(tài)地址映射也可以采用動態(tài)地址映射。內(nèi)存保護(hù)可以采用界限寄存器法，用兩個寄存器分別放用戶區(qū)的首地址和用戶的長度。用戶程序訪問內(nèi)存的地址必須在這個范圍內(nèi)，否則就是地址越界。,7.2.3 可變分區(qū)內(nèi)存管理方式,可變分區(qū)法 動態(tài)分區(qū)分配是根據(jù)進(jìn)程的實(shí)際需要，動態(tài)地為

14、它分配連續(xù)的內(nèi)存空間，各個分區(qū)是在相應(yīng)進(jìn)程裝入內(nèi)存時建立的，其大小恰好等于進(jìn)程的大小。 為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，系統(tǒng)中設(shè)置了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄內(nèi)存的使用情況，常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式有空閑分區(qū)鏈。,,,內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用空閑區(qū)鏈表，節(jié)點(diǎn)中包含空閑區(qū)的首址、長度、鏈指針。在進(jìn)程PCB中包含進(jìn)程的內(nèi)存首址、長度、訪問權(quán)限等項(xiàng)目。分配算法：首次適應(yīng)法、最佳適應(yīng)法、最壞適應(yīng)法。分配時，操作系統(tǒng)填寫PCB中進(jìn)程的內(nèi)存首址、長度、訪問權(quán)限

15、。,,內(nèi)存回收為了最大限度的利用內(nèi)存資源，就要不斷將分散的小碎片拼接成一個大的空閑區(qū)，這里有個拼接的時機(jī)問題，可以在分配時拼接，也可以在回收時拼接。拼接意味著要求進(jìn)程能在內(nèi)存中移動，例如現(xiàn)在進(jìn)程的首址是 a ，將它向地址增大方向移動 b 個字節(jié)，進(jìn)程的首址變成 a + b 。進(jìn)程長度不變。,,地址映射為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存拼接，必須用動態(tài)地址映射CPU提供基址寄存器、限長寄存器、地址運(yùn)算器。進(jìn)程切換時，操作系統(tǒng)把PCB中的內(nèi)存信息( 進(jìn)

16、程的首址、長度 )寫入基址寄存器和限長寄存器同時將進(jìn)程PCB中的現(xiàn)場信息寫入CPU的寄存器集合。,,動態(tài)重定位的實(shí)現(xiàn)過程,,內(nèi)存保護(hù)利用基址寄存器和限長寄存器，一個進(jìn)程只能訪問自己的內(nèi)存區(qū)，只有操作系統(tǒng)進(jìn)程可以訪問全部的內(nèi)存區(qū)。除了地址界限保護(hù)外，為了進(jìn)程間共享數(shù)據(jù)還需要訪問權(quán)限保護(hù)，進(jìn)程可以給另一個進(jìn)程賦予訪問權(quán)限，允許在訪問權(quán)限范圍內(nèi)訪問。,動態(tài)分區(qū)舉例,外碎片進(jìn)程外的內(nèi)存空間碎片化能用壓縮方法解決OS 移動進(jìn)程使進(jìn)程和進(jìn)

17、程相連。消耗CPU時間,P1 (20M),P2(14M),P3(18M),Empty (56M),Empty (4M),P4(8M),Empty (6M),P2(14M),Empty (6M),Refer to Figure 7.4,,例：現(xiàn)在有三個作業(yè)A(20KB)，B(80KB)，C(50KB)，內(nèi)存有兩個空閑區(qū)F1(110KB)，F(xiàn)2(60KB)。 首次適應(yīng)法（設(shè)F1的首址 < F2的首址 ） A（占2

18、0KB） B（占80KB） C（占50KB）,,F1( 100KB, 10KB ),,F2( 50KB, 10KB ),,首次適應(yīng)法（設(shè)F1的首址 > F2的首址 ） A（20KB） B（80KB） 最壞適應(yīng)法 A（20KB） B（80KB） C（50KB）,,,F2（20KB，40KB）,F1（80KB，30KB）,,,F1( 100KB, 10KB ),F2( 50KB, 10K

19、B ),,最佳適應(yīng)法 A（20KB） B（80KB） 可變分區(qū)分配采用最佳適應(yīng)算法，結(jié)果不一定是最佳的；采用最壞程序算法，結(jié)果不一定是最差的。,F2( 20KB, 40KB ),F1( 80KB, 30KB ),,,伙伴系統(tǒng),全部可用空間被分成一個長度是2U的塊如請求分配長度s符合2U-1 < s <= 2U全部空間分配給它否則塊被分成兩個相等的伙伴。這個過程一直持續(xù)直到找到符合長度<= s

20、的伙伴,伙伴系統(tǒng)舉例,伙伴系統(tǒng)樹型表示,7.3 離散分配存儲管理方式,固定分區(qū)和可變分區(qū)都是連續(xù)分配內(nèi)存的技術(shù)，把一個進(jìn)程裝入一個分區(qū)，使用這種方法會造成許多碎片，降低了內(nèi)存的利用率。產(chǎn)生碎片的根本原因就是要求把一個進(jìn)程連續(xù)地放在一個內(nèi)存區(qū)。雖然可變分區(qū)技術(shù)使用內(nèi)存拼接技術(shù)把分散的空閑分區(qū)集中成較大的分區(qū)，但要增加系統(tǒng)的開銷。人們考慮能否化整為零提高內(nèi)存的利用率。,,,,7.3.1 分頁式存儲管理方式7.3.2 分段式存儲管理方

21、式7.3.3 段頁式存儲管理方式,7.3.1 分頁式存儲管理方式,可變分區(qū)方式除了產(chǎn)生大量的外碎片，還有一個缺點(diǎn)，就是進(jìn)程動態(tài)增長不方便。分頁管理是解決碎片問題的一種有效辦法，它允許進(jìn)程在內(nèi)存空間里是不連續(xù)的；還便于進(jìn)程動態(tài)增長。 分頁管理技術(shù)原理（1）操作系統(tǒng)按一個2的整數(shù)次冪為長度，把內(nèi)存用戶區(qū)分成若干存儲區(qū)，稱為塊，每個塊的容量都是相同的，每個塊按物理地址值由小到大順序從 0 開始編號，稱為塊號。,,,,000000 0

22、00,000000 001,000000 010,000000 …,000000 111,,000001 000,000001 001,000001 …,000001 111,,… … …,111111 000,111111 001,111111 010,111111 …,111111 111,,,,,塊 號 塊內(nèi)地址,# 0,# 1,# 63,假設(shè)每塊的容量是23個字節(jié)物理地址被分成兩部分，高位部分稱為塊號，低

23、位部分稱為塊內(nèi)地址。假設(shè)內(nèi)存共有64個塊，每塊有 8 個字節(jié)。塊號是從物理地址中截出來，是物理地址固有的。物理地址=(塊號，塊內(nèi)地址)=( B , d )內(nèi)存塊的起始地址等于內(nèi)存塊號乘以塊長。,物理地址,,（2）用戶進(jìn)程的邏輯空間也按內(nèi)存塊的大小分頁，每頁也按邏輯地址由小到大編號稱為頁號。假設(shè)一個進(jìn)程有61個字節(jié)，以每頁8個字節(jié)分頁，分成8 頁，如圖所示：,,,000000 000,000000 001,000000 010,0

24、00000 …,000000 111,,000001 000,000001 001,000001 …,000001 111,,… … …,000111 000,000111 001,000111 010,000111 101,,,,,頁 號 頁內(nèi)地址,# 0,# 1,# 7,每頁的容量是23邏輯地址被分成兩部分，高位部分稱為頁號，低位部分稱為頁內(nèi)地址。邏輯地址=( p , d )程序共有8頁，每頁有 8 個字

25、節(jié)。頁號是從邏輯地址中截出來的。為程序的每一頁分配一個內(nèi)存塊，這就得出程序任何一頁裝入內(nèi)存后，它的頁內(nèi)地址就等于塊內(nèi)地址。,邏輯地址,… … …,物理地址(塊號，塊內(nèi)地址)用(B，d)表示， 邏輯地址(頁號，頁內(nèi)地址)用(p，d)表示， 設(shè)邏輯地址是A，頁長是L，從數(shù)學(xué)角度描述： p = A div L d = A mod L 因?yàn)長=2m，所以p是A邏輯右移 m 位后

26、的結(jié)果，d 是A邏輯右移 m 位時，移出去的m 位值。,,用匯編語言整數(shù)除法指令很容易描述，以A 作為被除數(shù)，以L 作為除數(shù)，商就是頁號，余數(shù)就是頁內(nèi)地址。其實(shí)不用對邏輯地址移位，也不用對邏輯地址做除法，在工程上直接根據(jù)頁長的位數(shù)，將邏輯地址一分為二，高位部分是頁號，低位部分是頁內(nèi)地址（頁內(nèi)偏移）。,,內(nèi)存空間分配與回收 頁式管理以塊為單位給進(jìn)程分配內(nèi)存，操作系統(tǒng)必須隨時掌握內(nèi)存塊的狀態(tài)（已分配、未分配、當(dāng)前空閑塊的總數(shù)）。

27、 下面建立內(nèi)存空間分配與回收的數(shù)學(xué)模型： 首先看數(shù)據(jù)的性質(zhì)，內(nèi)存塊具有哪些屬性？內(nèi)存塊的起始地址、內(nèi)存塊的狀態(tài)（已分配或空閑），內(nèi)存塊的總數(shù)是固定的。,,這個模型要能反映內(nèi)存塊的地址和狀態(tài)信息。并且內(nèi)存塊的總數(shù)是不變的。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序語言角度講，一個數(shù)組元素具備兩個特性，能否用一個數(shù)組元素代表一個內(nèi)存塊？用數(shù)組元素的值代表內(nèi)存塊的狀態(tài)，元素的下標(biāo)值代表內(nèi)存塊的地址。因?yàn)橐粋€內(nèi)存塊的狀態(tài)不是已分配就是未分配，可以用一個

28、二進(jìn)制位表示，0表示未分配，1表示已分配。,進(jìn)程和頁架,A.0,A.1,A.2,A.3,B.0,B.1,B.2,C.0,C.1,C.2,C.3,D.0,D.1,D.2,D.3,D.4,假定系統(tǒng)有m* n個內(nèi)存塊(m行n列)，用m*n的位圖表示：,0 1 2 3 4 5 ... 30 31,0 1 2 3

29、4 5 6 7,,在程序語言中用二維數(shù)組表示這個位圖，每個元素的長度是一個二進(jìn)制位，用一個數(shù)組元素表示一個內(nèi)存塊。數(shù)組元素值表示對應(yīng)的內(nèi)存塊的狀態(tài)（空閑或占用）數(shù)組元素的下標(biāo)映射內(nèi)存塊的起始地址。從分頁原理可知，內(nèi)存塊的起始地址等于內(nèi)存塊號乘以頁長，在此頁長是個常數(shù)，用元素的下標(biāo)值映射內(nèi)存塊號。塊號左移就可獲得塊的起始地址。,,假設(shè)i和j分別代表數(shù)組元素的行、列下標(biāo) 。 B = i * n + j 例：n

30、=32, m= 8 , i = 3, j = 5 B = i * n + j = 3 * 32 + 5 = 101 分配時遍歷數(shù)組，找到元素值是0的元素，再根據(jù)該元素的下標(biāo)計算內(nèi)存塊塊號B。分配后，將該元素值更改為1。,,分配原則：設(shè)系統(tǒng)有m 個空閑內(nèi)存塊，進(jìn)程申請n塊，如m>=n就分配，即要求進(jìn)程一次性的裝入內(nèi)存，不論這些塊在內(nèi)存中是否連續(xù)。一個進(jìn)程裝入內(nèi)存后，可以離散分布在各個內(nèi)存塊中，進(jìn)程

31、不需要操作系統(tǒng)為它分配一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)。這正是分頁管理與分區(qū)管理的根本區(qū)別。,設(shè)k是系統(tǒng)當(dāng)前的空閑塊數(shù)，n是進(jìn)程的頁數(shù)，分配算法可以用N-S流程圖表示為：,,,,,,,,,,,,,,T,T,F,F,k >= n,n x ; q=&a[0][0] ; B=0;,,當(dāng) x > 0,* q = = 0 (未分配),分配 *q= 1，填寫頁表,記錄塊號 B, x--, k --,修改 q ++;

32、 B++,不分配,,進(jìn)程結(jié)束后，要回收進(jìn)程占用的所有內(nèi)存塊，這時要根據(jù)內(nèi)存塊號計算它在位圖中的位置（即行下標(biāo)和列下標(biāo)） i = B div n j = B mod n例：B=197，n=32 i = B div n = 197 div 32 = 6 j = B mod n = 197 mod 32 = 5,,計算出內(nèi)存塊對應(yīng)的行和列下標(biāo)后，就可以訪問數(shù)組，把該元素的值修

33、改為 0 ，系統(tǒng)空閑內(nèi)存塊數(shù)自增 1 ，這個內(nèi)存塊就被系統(tǒng)收回；進(jìn)程如占有 n 塊，就把這個過程重復(fù) n 次。,,地址映射地址映射是將邏輯地址轉(zhuǎn)換成真實(shí)的物理地址。由于內(nèi)存的一塊恰好裝入一頁，頁內(nèi)地址與塊內(nèi)地址一一對應(yīng)。邏輯地址是（p , d )物理地址是（B , d )現(xiàn)在的問題是已知p ，求B。因?yàn)檫M(jìn)程的一頁可以裝入內(nèi)存的任何一塊中，p 和B之間不存,,在一種可計算的線性函數(shù)。但是存在每頁對應(yīng)一個內(nèi)存塊的關(guān)系。一個顯而易見

34、的方法是建立一張表 (頁表) ，表中每行代表一頁，每行的序號代表頁號，通過這張表描述頁號與塊號的關(guān)系。地址映射的工作是用頁號 p 查表，找到對應(yīng)的塊號B ，再用B 與頁內(nèi)地址d 計算物理地址。 為了提高地址映射的效率，需要硬件的支持。在CPU中設(shè)立頁表控制寄存器（其中包含頁表長度L和頁表起始地址a）。,頁表,,每個進(jìn)程都有自己的一張頁表，頁表的起始地址和長度記錄在PCB中。當(dāng)進(jìn)程由就緒態(tài)變成執(zhí)行態(tài)時，由操作系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的PCB將進(jìn)

35、程頁表的起始地址和頁表長度填入CPU頁表控制寄存器。,,,,,,,,,p,d,L,a,p < L,,,,,,,B,B,d,p + a,p + a,,越界中斷,,n,y,,a,邏輯地址,頁表寄存器,頁表,物理地址,由于頁表是駐留在內(nèi)存的某個固定區(qū)域中，而取數(shù)據(jù)或指令又必須經(jīng)過頁表變換才能得到實(shí)際物理地址。因此，取一個數(shù)據(jù)或指令至少要訪問內(nèi)存兩次以上。一次訪問頁表以確定所取數(shù)據(jù)或指令的物理地址，另一次是根據(jù)地址取數(shù)據(jù)或指令。這比通常執(zhí)

36、行指令的速度慢了一倍。,,提高查找速度一個最快的辦法就是把頁表放在寄存器中而不是內(nèi)存中，但由于寄存器價格太貴，這樣做是不可取的。另一種辦法是在地址變換機(jī)構(gòu)中加入一個高速聯(lián)想存儲器，構(gòu)成一張快表。在快表中，存入那些當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程中最常用的頁號與所對應(yīng)的塊號，從而以提高查找速度。,(2)快表的地址轉(zhuǎn)換,,由于在某段時間內(nèi)執(zhí)行程序時，是在一個范圍內(nèi)逐條順序執(zhí)行指令；數(shù)組一類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存占據(jù)一片連續(xù)存儲空間，訪問數(shù)組時也是在數(shù)組范圍內(nèi)訪問，所以

37、快表的命中率可達(dá)到80%到90%。CPU存取一個數(shù)據(jù)的平均時間為：T=命中率×（訪內(nèi)時間＋訪cache時間）＋非命中率×（2 ×訪內(nèi)時間＋訪cache時間）例：訪內(nèi)時間是100ns，訪cache時間是20ns，訪cache命中率是85%計算CPU存取一個數(shù)據(jù)的平均時間。T=0.85*(100+20)+0.15*(200+20)=135ns,頁的共享和保護(hù),分頁存儲管理技術(shù)使每個進(jìn)程分別存儲在內(nèi)存的不連

38、續(xù)的存儲塊中，這種靈活性允許兩個和多個進(jìn)程共享程序庫中的例程或公共數(shù)據(jù)段的同一副本，共享的方法是使這些相關(guān)進(jìn)程的邏輯空間中的頁指向相同的內(nèi)存塊。共享頁面是有條件的，故實(shí)現(xiàn)信息共享的前提是提供附加的保護(hù)措施，對共享信息加以保護(hù)。,頁共享與保護(hù),7.3.2 分段式存儲管理方式,其實(shí)程序在邏輯上是分成不同段的，每個段具有其獨(dú)特的性質(zhì)，例如一個代碼段是只執(zhí)行的，一個數(shù)據(jù)段只允許讀，另一個數(shù)據(jù)段可允許讀和寫。顯然，如以段作為內(nèi)存分配的最小單

39、位，這便于對各個段實(shí)施控制和保護(hù)。這些段的長度可以不同，段和段在內(nèi)存中也可以不連續(xù)。每個段在內(nèi)存占據(jù)一片連續(xù)的空間。,,分段基本原理,內(nèi)存分配與回收分段管理中，內(nèi)存的最小分配對象是段，特別地是為每個段分配各自的連續(xù)空間，在內(nèi)存里段和段之間可以不連續(xù)。分配算法與可變分區(qū)的分配算法相似，可以采用最佳適應(yīng)法、最壞適應(yīng)法和首次適應(yīng)法等分配算法。顯然仍然要解決外碎片的問題。,分段基本原理,內(nèi)存分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要采用空閑區(qū)鏈表，為了提高內(nèi)存的利用

40、率，必須實(shí)施內(nèi)存碎片拼接的方案，內(nèi)存碎片拼接的時機(jī)可以在分配時刻或回收時刻?？梢岳斫夥侄喂芾砑夹g(shù)繼承了可變分區(qū)管理技術(shù)，但管理上要比可變分區(qū)更復(fù)雜。例如可變分區(qū)管理以進(jìn)程為內(nèi)存分配的最小對象，為一個進(jìn)程只進(jìn)行一次分配工作；而分段管理以段為內(nèi)存分配的最小對象，為一個進(jìn)程的每個段要進(jìn)行一次分配工作。,分段基本原理,地址映射從前面論述中，知道進(jìn)程被分成若干個邏輯段，每個段在內(nèi)存中占據(jù)一片連續(xù)的空間，內(nèi)存分配可以按可變分區(qū)的算法，必須進(jìn)行外

41、碎片拼接。那么采用靜態(tài)地址映射還是動態(tài)地址映射呢？答案顯然是必須采用動態(tài)地址映射。否則無法實(shí)施外碎片拼接。地址映射是將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，先研究邏輯地址的構(gòu)成。,分段基本原理,進(jìn)程的邏輯地址空間在分段存儲管理方式中，段是一組相關(guān)的邏輯信息的集合。每個段都有自己的名字和長度，通常用一個段號來代替段名，每個段都從0 開始編址，并采用一段連續(xù)的地址空間，段的長度由相應(yīng)的邏輯信息組的長度決定。分段系統(tǒng)中的邏輯地址由段號 s和段內(nèi)

42、地址 d 組成， 是一個二維地址（ s , d ）。是程序員負(fù)責(zé)安排的地址。,,由于分段的進(jìn)程邏輯地址空間是二維的，所以分段的地址映射在于如何把二維段地址結(jié)構(gòu)動態(tài)地變成一維的內(nèi)存地址結(jié)構(gòu)。內(nèi)存分配時，是為任何一個段分配一個連續(xù)的內(nèi)存片，一個段內(nèi)的所有邏輯地址在該內(nèi)存片中的順序仍然不變。假設(shè)段的物理起始地址是 a，由于段的起始邏輯地址是 0，邏輯地址中作為偏移地址，加上段物理起始地址就是所求的物理地址。所以邏輯地址為 x的單元其物理地址

43、為 a+x 。,,現(xiàn)在已知邏輯地址（s，d），怎樣計算它在內(nèi)存的物理地址？與分頁管理的分析一樣，關(guān)鍵是找到邏輯地址與物理地址之間的映射關(guān)系。由于每個段在內(nèi)存是連續(xù)的，可以將段的物理地址看成是由基址和偏移地址（ a，d）組成，根據(jù)前面分析，偏移地址又等于段內(nèi)地址，關(guān)鍵要找 s 和 a 的聯(lián)系。分配內(nèi)存時，是隨機(jī)為一個段分配空間，所以 s 和 a 之間,不會存在某種線性函數(shù)關(guān)系，即不可能用數(shù)值計算的方法求解。但是段號 s 和段物理起始地

44、址 a 之間確實(shí)存在著一一對應(yīng)的關(guān)系，可以用一個表(段表)保存這個關(guān)系，根據(jù)表的起始地址和 s 找該段的起始物理地址 a 。然后計算 a+d 得到所要的物理地址。操作系統(tǒng)每個進(jìn)程建立一個表，保存其段號 s 和段物理起始地址 a 之間的關(guān)系，稱為段表。,,在查表中仍然要防止地址越界的問題。所以表中除了段物理起始地址外，還要保存段的長度值。硬件上要提供相應(yīng)的段表控制寄存器，當(dāng)進(jìn)程切換時，操作系統(tǒng)把新進(jìn)程PCB中的段表起始地址和段表長度值

45、寫入段表控制寄存器中，進(jìn)程訪問內(nèi)存時，按照段表控制寄存器找段表，通過查表找段的物理起始地址。,地址映射,段號,段內(nèi)地址,段表始址,邏輯地址( 2 , 100 ),>=,,段號越界中斷,,+,1K,500,200,600,0,1,2,3,基址,段號,段長,物理地址,8292,段式存儲的地址變換機(jī)構(gòu),2,100,,+,6K,8K,9K,4K,y,n,,,,,,,>=,,,,y,n,段內(nèi)地址越界,段表長度4,,,,段的共享和保護(hù),

46、段的共享 段的共享是指兩個以上的進(jìn)程，使用同一個子程序或數(shù)據(jù)段，而在內(nèi)存中只保留該信息的一個副本。具體地說，只需在每個進(jìn)程的段表中，用相應(yīng)的表項(xiàng)裝入共享段在內(nèi)存的起始地址即可。,,內(nèi)存保護(hù)分段管理優(yōu)點(diǎn)之一就是方便內(nèi)存保護(hù)。前面看到怎樣進(jìn)行地址越界保護(hù)，它只是內(nèi)存保護(hù)的一部分，為了實(shí)施訪問權(quán)限保護(hù)，在段表中再增加訪問權(quán)限字段，每個進(jìn)程訪問該段時還要進(jìn)行訪問權(quán)限檢查，符合的才允許訪問，否則拒絕訪問。,段的共享與保護(hù),例子：有一個多

47、用戶系統(tǒng)，可以容納40個用戶，他們都執(zhí)行一個文本編輯程序，如果文本編輯程序有160K的代碼和40K的數(shù)據(jù)區(qū)，則需要：（160+40）*40 =8M 的內(nèi)存空間，如果160K的代碼是可重入的，則在內(nèi)存中只保存一個副本就可以了，則需要：160+40*40=1760K內(nèi)存空間。,段的共享與保護(hù),,引入分段的理由：邏輯上的完整動態(tài)鏈接信息共享信息保護(hù),,分頁和分段的區(qū)別：頁的大小是固定的，頁的長度是由內(nèi)存塊長度決定的。段的長度是可

48、變的，段的長度是由信息的長度決定的；分頁的邏輯地址空間是一維的，分段的邏輯地址空間是二維的；分頁存在內(nèi)碎片，分段存在外碎片；,邏輯地址,分頁,分段,7.3.3 段頁式存儲管理方式,分頁存儲管理能有效地提高內(nèi)存的利用率，分段存儲管理能很好地滿足用戶的需要，段頁式存儲管理則是分頁和分段兩種存儲管理方式的結(jié)合，它同時具備了兩者的優(yōu)點(diǎn)。也繼承了兩者的缺點(diǎn)。,,,分段和分頁都有各自的優(yōu)勢。分頁對程序員來說是透明的，它消除了外部碎片，因而可以

49、更有效地使用主存。它具有處理不斷增長的數(shù)據(jù)的能力。分段是由程序員決定的，對段的共享及保護(hù)操作容易，支持動態(tài)鏈接等優(yōu)勢。把它們二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，就形成了非常具有優(yōu)勢的“段頁式存儲管理”方式。,7.3.3.1 段頁式管理原理,程序員仍然按分段編程，邏輯地址是二維地址（段號，段內(nèi)地址）。操作系統(tǒng)仍對內(nèi)存用戶區(qū)實(shí)施分塊，物理地址由塊號和塊內(nèi)地址組成（塊號，塊內(nèi)地址）。操作系統(tǒng)對進(jìn)程以段為單位進(jìn)行分頁，一個段被分成若干頁，每一頁剛好占一個內(nèi)

50、存塊，內(nèi)存里段和段之間可以不連續(xù)，一個段內(nèi)的頁和頁之間也可以不連續(xù)。,7.3.3.1 段頁式管理原理,內(nèi)存分配和回收雖然名叫段頁式，其實(shí)內(nèi)存并沒有段的影子只有大小相同的塊，塊長度決定了頁的長度。所以內(nèi)存分配和回收與分頁式管理是一樣的。內(nèi)存分配和回收操作簡單，內(nèi)存的利用率比分頁式稍低一些，因?yàn)槊恳欢蔚淖詈笠豁摃袃?nèi)碎片。這是繼承了分頁式的優(yōu)點(diǎn)。,7.3.3.1 段頁式管理原理,地址映射首先研究邏輯地址在段頁式中的變化。程序員編程時

51、仍然是分段編程，所以邏輯地址仍是二維的，即段號和段內(nèi)地址。操作系統(tǒng)以段為單位分頁，就把段內(nèi)地址分成兩部分，即頁號和頁內(nèi)地址，這樣，邏輯地址變成（段號，頁號，頁內(nèi)地址）。再來看物理地址，物理地址是（塊號，塊內(nèi)地址），因?yàn)橐粔K正好裝入一頁，所以，頁,7.3.3.1 段頁式管理原理,內(nèi)地址就等于塊內(nèi)地址。下面就要考慮段號和頁號與塊號之間的聯(lián)系。因?yàn)橐远螢閱挝环猪摚悦總€段都要一個頁表，頁表每項(xiàng)裝入對應(yīng)的塊號；每個進(jìn)程分多個段，一個進(jìn)程

52、設(shè)置一個段表。段表項(xiàng)目內(nèi)容與分段式中的段表內(nèi)容不同，為了檢查地址越界，一個段表項(xiàng)至少包括頁表的長度和頁表的起始地址。,7.3.3.1 段頁式管理原理,,段頁式分配的地址變換圖解,>=,越界中斷,,＋,段頁式存儲的地址變換機(jī)構(gòu),,,,,0,1,2,3,基址,段號2,頁表,,,,,長度,頁表,,+,,B,1,,塊號,頁號,0,1,2,,,,,,,,,3,,,,,>=,,,,,,,,塊內(nèi)地址,塊號,段號2,頁號2,頁內(nèi)地址d,段表

53、地址,段表長度,段內(nèi)地址,Y,N,Y,N,7.3.3.1 段頁式管理原理,從地址映射看到，為了計算內(nèi)存物理地址需要兩次訪問內(nèi)存（段表，頁表），顯然增加執(zhí)行一條指令的時間，使進(jìn)程執(zhí)行時間延長，這是段頁式管理天生缺陷，為了提高訪問內(nèi)存的速度，可以用增加快表的方法，利用高速緩沖內(nèi)存存放段表和頁表的子集，縮短計算物理地址的時間。,7.3.3.1 段頁式管理原理,內(nèi)存共享和保護(hù)段頁式管理吸取了分段式管理和分頁式管理的優(yōu)點(diǎn)，可以說在內(nèi)存分配回收方

54、面吸取了分頁管理的優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)存共享和保護(hù)方面吸取了分段式管理的優(yōu)點(diǎn)。段頁式管理的內(nèi)存保護(hù)除了前面講的地址越界保護(hù)外，還有訪問權(quán)限保護(hù)。這可通過在段表中增加保護(hù)字段實(shí)現(xiàn)。,7.3.3.2段頁式的實(shí)例,Pentium的虛擬存儲器采用段頁式存儲管理Pentium虛擬存儲器的核心是兩張表：LDT（局部段描述符表）和GDT（全局段描述符表）。每個進(jìn)程都有自己的LDT，一臺計算機(jī)上的所有進(jìn)程共享一個GDT。LDT描述每個進(jìn)程的段，包括代碼、數(shù)據(jù)、

55、堆棧等；GDT描述系統(tǒng)段，包括操作系統(tǒng)本身。,7.3.3.2段頁式的實(shí)例,為了訪問一個段，操作系統(tǒng)必須把這個段的選擇符（selector）裝入中央處理器的某個段寄存器。每個選擇符是一個16位數(shù)。,15 3 2 1 0,索 引,0=GDT / 1=LDT,,優(yōu)先級（0~3）,,7.3.3.2段頁式的實(shí)例,段寄存器SS表示堆棧段，CS表示代碼段

56、， DS 表示數(shù)據(jù)段， ES、FS、GS表示附加數(shù)據(jù)段。在選擇符被裝入段寄存器時，從LDT或GDT中取出對應(yīng)的描述符，以便快速訪問。一個描述符由8個字節(jié)組成包括段的基地址、大小和其它信息。,基址 24 -31,G,X,0,段長 16-19,,基址16 -23,0:16位段1:32位段,0:段長以字節(jié)為單位1:段長以頁長為單位,,,基址0 -15,段長 0 -15,Type,S,DPL,P,A,0:段不在內(nèi)存中1:段在內(nèi)存中,,,,

57、,,,,0: 未訪問過1: 訪問過,,,,,,,0:系統(tǒng)段或門1:代碼段或數(shù)據(jù)段,,,,,,,,段類型和保護(hù),,,,優(yōu)先級（0~3）,Pentium段描述符,7.3.3.2段頁式的實(shí)例,現(xiàn)在讓我們跟蹤一個邏輯地址（選擇符，偏移地址）轉(zhuǎn)換為物理地址的過程：用選擇符做索引，查段描述符表中的描述符。Pentium接著把段描述符中的32位段基址和偏移地址相加形成線性地址 。如果禁止分頁，線性地址就作為物理地址并被送往寄存器用于讀寫。

58、如果允許分頁，線性地址將被解釋成一個虛擬地址并通過頁表映射到物理地址。,,7.3.3.2段頁式的實(shí)例,段選擇符,段描述符表,段起始地址,段長度,段的其他屬性,偏移地址,32位線性地址,,,…,,…,,,,,,+,邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址,CSDSSSESFSGS,7.3.3.2段頁式的實(shí)例,,,,,在實(shí)存管理中，會遇到內(nèi)存不夠用的情況。人們也想了解決該問題的辦法，交換技術(shù)和覆蓋技術(shù)就是在實(shí)存管理中擴(kuò)充內(nèi)存的方法。這些方法在一

59、定程度上解決了實(shí)存管理中用小內(nèi)存運(yùn)行大程序的問題。,7.4 交換技術(shù),交換技術(shù)是指將一個進(jìn)程完整地從內(nèi)存移動到磁盤上，騰出空間給其他進(jìn)程使用。需要時，再將該進(jìn)程移入內(nèi)存。交換進(jìn)程由換出和換進(jìn)兩個過程組成，換出是把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和程序換到外存的交換區(qū)，反之就是換進(jìn)。 在交換系統(tǒng)中，交換所占用的時間相當(dāng)多。在前面學(xué)習(xí)進(jìn)程狀態(tài)時，曾經(jīng)學(xué)習(xí)過掛起和激活轉(zhuǎn)換，從進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換上講，交換技術(shù)就是將進(jìn)程掛起或激活。,,7.5 覆蓋技術(shù),覆蓋是在