第3章存储系统及存储管理-5存储器管理概述

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1、3.5 存储管理,存储管理的功能 地址重定位 分区存储管理 页式存储管理 虚拟存储管理,存储器管理,存储器的层次 高速缓冲存储器（cache） 内存（主存） 外存（辅存） 主存分为：,系统区,用户区,存储器管理要管理的区域,存储器管理的功能,思考：要运行你编写的JAVA语言程序，首先要把你的程序装入内存。如何为程序分配一片存储空间？ 内存的分配和回收 地址变换 内存共享与保护 虚拟存储器,地址重定位,逻辑地址：用户程序中以“0”开始的地址。 物理地址：内存中的地址。 地址重地位：把逻辑地址转换成物理地址的过程。 地址重地位的方式：根据定位的时机不同，分为静态地址重定位和动态地址重定位。,静态地

2、址重定位,在作业装入内存时，进行的地址重定位。 程序中的地址都是物理地址。 优点：简单，无需增加硬件地址转换机构。 缺点： 一旦装入，就不能在内存中移动位置。 用户无法共享。,动态地址重定位,在程序执行时进行的地址重地位。 硬件支持：重定位寄存器（基址寄存器）。 程序中的地址是逻辑地址。 物理地址=基址寄存器+逻辑地址 例：基址寄存器的值为1000， LOAD A，500 则操作数的地址为：1500。,load a,500 2367,0,500,逻辑地址空间,1000,定位寄存器,2367,物理地址空间,+,动态地址重定位,优点： 程序占用的内存空间动态可变。 容易实现内存共享。 缺点： 需要

3、硬件支持，增加成本。 管理软件比较复杂。 现代计算机中普遍采用动态重定位的定位方式。,主要的内存管理技术,单道连续存储管理 分区存储管理 固定分区存储管理 可变分区存储管理 页式存储管理 虚拟存储管理,单道连续存储管理,1、基本原理：内存分为两部分：用户区和系统区。任何时刻，内存中最多只有一个用户作业。 2、内存分配算法：,用户请求,是否小于用户区？,分配,Y,不能运行,单道连续存储管理,3、存储保护：保护系统程序不会遭用户程序的破坏。 措施：设置一个界限寄存器，存放当前可供用户使用的主存区域的起始地址。 4、多用户共享（分时系统） 对换（swapping）技术：让多个用户的作业轮流进入主存储

4、器。 硬件支持：大容量高速辅助存储器。 5、地址重地位方式：静态地址重地位。,覆盖技术,如果作业逻辑地址空间用户区，怎么处理？ 原理： 作业分段 主段始终保留在内存（驻留区） 其它段保存在辅存中，轮流进入主存 谁来分段？ 用户把如何分段和覆盖情况写成一个“覆盖描述文件”,分区存储管理,1、基本原理：将内存划分为若干个连续的存储区域（称为一个分区），每一个分区中可以（也只能）装入一个作业。 2、分区的种类：根据分区的时机不同，分为： 固定分区和可变分区两种。,固定分区存储管理,1、基本原理：在作业加载内存之前，将内存划分为若干个连续的区域。一旦划分好后，主存储器中的分区个数和大小就确定了，不能改

5、变。各个分区的大小可以不同（长作业区和短作业区）。 2、内存分配与回收 问题：如何知道哪些分区已分配；各个分区的大小和位置？ （1）分区说明表：记录系统中所有分区的情况，结构如下：,固定分区存储管理,区号 起始地址 长度 占用标志 其中，“占用标志”表示该分区是已分配还是空闲。 （2）分配算法：从分区说明表中查找一个状态是“空闲”、大小满足作业要求的分区，并将状态改为“已分配”。 （3）回收算法：只需要将分区说明表中的“状态”值改为“空闲”即可。,用户作业L,P=0,是否越界？,N,长度L？,分配（状态改为“已分配”）,Y,P=P+1,状态为“空？”,Y,N,N,无法分配,Y,固定分区存储管理

6、,3、地址转换： 静态重定位的方式。 4、存储保护：上下界地址法。 处理器设置一对寄存器：上界寄存器和下界寄存器，作业地址应满足： 下限地址绝对地址上限地址 否则，发生“地址越界”中断事件。 5、存在问题：内存利用率很低。 6、采用什么措施提高内存利用率？,提高内存利用率的措施,（1）按统计规律划分分区。 （2）按分区大小顺序排列，低地址部分是较小的分区，在分区说明表中按从小到大顺序登记。为作业分配满足条件的最小的分区。 （3）按作业对主存储器的需求量排成多个队列，每个作业队列中的作业只能依次装入一个分区中。,可变分区存储管理,基本原理,在作业要求装入主存时，根据作业的大小从空闲内存区中“切出

7、”一片连续的区域 分区的大小和个数是不确定的 初始时，系统中只有一个连续的用户区域，随着作业的到达和撤消，用户区就被划分为若干个大小不等的区域。,内存,OS,作业A,作业B,作业C,内存分配与回收,1、空闲区的管理 （1）空闲分区表 序号 起始地址 大小 状态 注意：这里的状态是指该表目的状态，其值表示该表目是空闲还是已使用。 （2）空闲分区链,空闲区大小；下一空闲区起始地址, ,分配算法（1）,1、最先适配算法： 空闲分区表按地址从小到大排列，从第一个开始，找到第一个满足条件的分区，根据作业的大小切出一片连续的区域。,作业请求L,P=1,是否越界？,Y,不能分配,状态为空闲？,N,P=P+1

8、,长度L,N,Y,长度=L,状态置为“空表目”,Y,N,起始地址=起始地址+L 长度=长度-L,分配算法（2）,2、最优适配算法 原理：将空闲区按大小从小到大排列，将满足需求的最小的空闲区分配给作业。 基于：为了更好地满足大作业的需求。 但是：这样切下的空闲区容易变成“碎片”。 算法流程与最先适配法相同。,分配算法（3）,3、最坏适配算法 从满足需求的最大的空闲区中为作业分配空间。 空闲分区表按大小从大到小排列。 基于：切完后的空闲区仍能满足某个作业的需求，减少碎片的数量。但对大作业不利。 其流程为：,用户作业请求,取分区表的第一个表项,长度,起始地址起始地址 长度长度,长度,状态置空表目,不

9、能分配,N,回收算法,、待回收区： 其起始地址为，长度为。 、上空闲区和下空闲区 、可能的四种情况： （）上下都不空。 （）上空，下不空。 （）下空，上不空。 （）上下都为空。,待回收区,作业区,作业区,上下都不空,待回收区,作业区,上空下不空,在空闲分区表中找一个空表目，将其内容填入。,上空闲区： 大小大小,待回收区,作业区,待回收区,下空上不空 下空闲区： 起始地址=A 大小=大小+L,上下都为空 上空闲区： 长度=长度+L+下空闲区 起址不变。,注 意,如何判断待回收区是否与空闲区相连？ 地址+长度=下一空闲区首地址 空闲区的管理：为了便于空闲区的合并，采用链接结构。 按地址从小到大排序

10、。 第一块和最后一块的情况。,可变分区存在的问题及解决办法,碎片问题：一些很小的内存区域 。 移动技术 将离散的碎片集合在一起。 不是任何时候都可以移动。 移动技术需要很大的系统开销。 保护问题 界地址法：基址和长度寄存器。,上 机 题目,1、编写可变分区存储管理算法（最先适配法） 2、编写可变分区的内存回收算法。,分区存储管理的缺点,“碎片”问题 原因：作业要求连续的存储空间。 解决办法：允许作业占据不连续的空间。,页式存储管理,基本原理 内存分配 地址变换 内存保护和内存共享 虚拟存储器,基本原理,“等分”内存。 把内存划分为大小相同的“块”。 把用户作业空间划分为大小相同的“页”。 页和

11、块的大小相同。 在把作业加载到内存时，页和页之间不再连续。 但页内连续。 也不必把所有的页都一次性加载内存，只需要加载那些马上要用到的页。其余的页在需要时再加载。,地址变换,逻辑地址：页号+页内地址 如何转变为内存物理地址？ 考虑：物理地址=块号*块长度+块内地址 块长度一定，块内地地址与页内地址相同。 问题变为：如何根据页号得到块号？ 页表：,页号,页内地址,页表,地址变换过程,1、根据页号查页表，得到块号。 2、根据块号和页内地址计算物理地址。 3、例题：,例题：在分页存储管理系统中，用户编程空间共32个页，每页大小为1024B，内存为16KB。假定某一时刻用户页表如下，若逻辑地址为035

12、E（H），求其所对应的物理地址。 页号 物理块号 0 5 1 10 2 3 3 7 分析：（1）根据题意，页内地址为10位，页号为5位。 210=1024，25=32 （2）根据给定的逻辑地址得到页号和页内地址。 035E（H）=（0000001101011110）2 从左边数10位为页内地址，剩余为页号。页号为0。 （3）根据页号查页表，得到块号为5。 （4）将块号与块内地址组合为物理地址： 01011101011110=175E（H）,页表的实现快表,从上述地址变换过程可以看出：CPU每取一条指令或数据，都必须经过页表。 因此，页表的每一个表项都是一个动态重定位机构。 如何实现页表，将影响

13、系统的效率。 方式： 硬件实现：用寄存器组。但代价太高，特别是内存很大时，是不可能的。 软件实现：将页表放在内存中。每取一条指令，要两次访问内存。,快 表,软硬件结合：将页表中使用最频繁的表项（页表的的一个子集）放在cache中。称为“快表”。 cache也称为“联想寄存器”，它不是根据地址而是根据所存信息的全部特征或部分特征进行存取。在这里为页号。 若要访问的页在cache中，则只需一次访问内存。若不在，则到内存中去找，同时把新的页表表项写入cache。,例题：对于利用快表且页表存于内存的分页系统，假定CPU的一次访问内存时间为1s，访问快表时间忽略不计。如果85%的地址映射可直接通过快表完

14、成，那么进程完成一次内存读写的平均有效时间是多少？ 分析： （1）若直接通过快表完成，则只需一次访问内存。 （2）若不能，则需要两次访问内存。 （3）平均时间=1*85%+2*15%,内 存 分 配,用户需求：需要多少块？ 内存空闲块的管理：位示图。 位示图：在内存中划出一片区域，用一位代表一个块，该位的值表示所代表的块的状态： 0：空闲；1：已分配。,内存分配,块号与字号、字长的关系：系统的字长一定，内存块从0开始编号，则有： 块号=字号*字长+位号 字号=块号/字长 （取整的意思） 位号=块号 MOD 字长,用户作业请求：块数B,扫描位示图，查找为0的位,空闲块数B,N,无法分配,计算块号

15、,建立页表,例 题,（1）一个32位计算机系统有主存128M和辅助存储器10G，这个系统的虚拟空间是多少？ （2）页式虚拟存储管理采用位示图技术，设主存有16384块，采用32位的512个字作为位示图。若块号、字号和位号（从高位到低位）分别从1、0、0开始。试计算：5998块对应的字号和位号；198字的20位对应于哪一块？,页式系统的内存保护和共享,保护：在页表上添加一个保护位。在做地址变换时，检查对页面的访问是否合法。 共享：根据地址转换过程可知：如果在不同用户的页表中填上相同的页表表项（块号），就能够访问相同的内存空间。,块号,保护位,5 R,12 WR,5,5,5,用户1 用户2 用户3,5,5,虚拟存储技术,基本原理 实现过程 页面替换,页式虚拟存储技术,虚拟存储器：内存扩充技术，为用户提供一个比实际内存大得多的内存空间。 虚拟存储的理论依据:局部性原理。 页式虚拟的基本原理：加载作业时，只加载那些最活跃的页，其余的页需要时再加载。“请求调页技术”和“预调页技术”。,实现虚拟的三个三个条件,程序中的哪些页已经加载内存。 当要访问的页不在内存时，如何将其调入内存？ 若此时内存空间已满，如何选择换出的页？,一、如何知道哪些已在内存