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1、华北电力大学计算机系 内容内容 虚拟存储器的基本概念虚拟存储器的基本概念 请求分页存储管理方式请求分页存储管理方式 页面置换算法页面置换算法 请求分页系统的性能分析请求分页系统的性能分析 请求分段存储管理方式请求分段存储管理方式 存储管理举例存储管理举例 第六章第六章虚拟存储器虚拟存储器 华北电力大学计算机系 目的及要求目的及要求 理解并掌握虚拟存储器的概念和特征，初步领会虚拟存理解并掌握虚拟存储器的概念和特征，初步领会虚拟存 储器的实现方式；储器的实现方式； 了解请求分页中的硬件支持，领会并理解页面分配和置了解请求分页中的硬件支持，领会并理解页面分配和置 换的策略；换的策略； 熟练掌握最佳置
2、换和先进先出页面置换算法，理解并掌熟练掌握最佳置换和先进先出页面置换算法，理解并掌 握最近最久未使用置换算法，了解握最近最久未使用置换算法，了解ClockClock、最少使用和、最少使用和 页面缓冲置换算法；页面缓冲置换算法； 了解缺页率对优先访问时间的影响，领会抖动产生的原了解缺页率对优先访问时间的影响，领会抖动产生的原 因和预防方法；因和预防方法； 了解请求分段中的硬件支持，领会请求分段存储管理方了解请求分段中的硬件支持，领会请求分段存储管理方 式中分段共享和保护；式中分段共享和保护； 第六章第六章虚拟存储器虚拟存储器 华北电力大学计算机系 重点重点 虚拟存储器的概念和特征；虚拟存储器的概
3、念和特征； 最佳置换算法、先进先出页面置换算法、最近最久未最佳置换算法、先进先出页面置换算法、最近最久未 使用置换算法；使用置换算法； 抖动产生的原因和预防方法；抖动产生的原因和预防方法； 请求分段存储管理方式中分段共享和保护；请求分段存储管理方式中分段共享和保护； 难点难点 虚拟存储器的概念和特征；虚拟存储器的概念和特征； 页面分配和置换的策略；页面分配和置换的策略； 最佳置换算法、最近最久未使用置换算法；最佳置换算法、最近最久未使用置换算法； 抖动的预防方法；抖动的预防方法； 请求分段存储管理方式中分段共享和保护。请求分段存储管理方式中分段共享和保护。 第六章第六章虚拟存储器虚拟存储器 华
4、北电力大学计算机系 6.1.1 6.1.1 虚拟存储器的引入虚拟存储器的引入 6.1.2 6.1.2 虚拟存储器的实现方式虚拟存储器的实现方式 6.1.3 6.1.3 虚拟存储器的特征虚拟存储器的特征 6.1 6.1 虚拟存储器的基本概念虚拟存储器的基本概念 华北电力大学计算机系 局部性原理局部性原理 早在早在19681968年年P PDenningDenning就指出过，程序在执行时将呈现就指出过，程序在执行时将呈现 出局部性规律，即在一段时间内，程序的执行仅局限于某个部出局部性规律，即在一段时间内，程序的执行仅局限于某个部 分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域内。那么分；相应地，
5、它所访问的存储空间也局限于某个区域内。那么 程序为什么会出现局部性规律呢？原因可以归结为以下几点：程序为什么会出现局部性规律呢？原因可以归结为以下几点： 程序在执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外程序在执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外 ，大多数仍是顺序执行的。，大多数仍是顺序执行的。 子程序调用将会使程序的执行由一部分内存区域转至子程序调用将会使程序的执行由一部分内存区域转至 另一部分区域。但在大多数情况下，过程调用的深度另一部分区域。但在大多数情况下，过程调用的深度 都不超过都不超过5 5。 程序中存在许多循环结构，循环体中的指令被多次执程序中存在许多循环结构，循环体中的指令被多
6、次执 行。行。 程序中还包括许多对数据结构的处理，如对连续的存程序中还包括许多对数据结构的处理，如对连续的存 储空间储空间数组的访问，往往局限于很小的范围内。数组的访问，往往局限于很小的范围内。 6.1.1 6.1.1 虚拟存储器的引入虚拟存储器的引入 华北电力大学计算机系 所以局限性表现为：所以局限性表现为： 时间局限性时间局限性 如果程序中的某条指令一旦执行，则不久的将来该指如果程序中的某条指令一旦执行，则不久的将来该指 令可能再次被执行；如果某个存储单元被访问，则不久以令可能再次被执行；如果某个存储单元被访问，则不久以 后该存储单元可能再次被访问。产生时间局限性的典型原后该存储单元可能再
7、次被访问。产生时间局限性的典型原 因是在程序中存在着大量的循环操作。因是在程序中存在着大量的循环操作。 2.2. 空间局限性空间局限性 一旦程序访问了某个存储单元，则在不久的将来，其一旦程序访问了某个存储单元，则在不久的将来，其 附近的存储单元也最有可能被访问。附近的存储单元也最有可能被访问。 即程序在一段时间内即程序在一段时间内 所访问的地址，可能集中在一定的范围内，其典型原因是所访问的地址，可能集中在一定的范围内，其典型原因是 程序是顺序执行的。程序是顺序执行的。 6.1.1 6.1.1 虚拟存储器的引入虚拟存储器的引入 华北电力大学计算机系 2 2 虚拟存储器的定义虚拟存储器的定义 根据
8、局部性原理，一个作业在运行之前，没有必要把全部作业装入根据局部性原理，一个作业在运行之前，没有必要把全部作业装入 内存，而仅将那些当前要运行的那部分页面或段，先装入内存便可启动运内存，而仅将那些当前要运行的那部分页面或段，先装入内存便可启动运 行，其余部分暂时留在磁盘上。行，其余部分暂时留在磁盘上。 程序在运行时如果它所要访问的页（段）已调入内存，便可继续执程序在运行时如果它所要访问的页（段）已调入内存，便可继续执 行下去；但如果程序所要访问的页（段）尚未调入内存（称为行下去；但如果程序所要访问的页（段）尚未调入内存（称为缺页或缺段缺页或缺段 ），此时程序应利用），此时程序应利用OSOS所提供
9、的请求调页（段）功能，将它们调入内存，所提供的请求调页（段）功能，将它们调入内存， 以使进程能继续执行下去。以使进程能继续执行下去。 如果此时内存已满，无法再装入新的页（段），则还须再利用页（如果此时内存已满，无法再装入新的页（段），则还须再利用页（ 段）的段）的置换置换功能，将内存中暂时不用的页（段）调出至磁盘上，腾出足够功能，将内存中暂时不用的页（段）调出至磁盘上，腾出足够 的内存空间后，再将所要访问的页（段）调入内存，使程序继续执行下去的内存空间后，再将所要访问的页（段）调入内存，使程序继续执行下去 。这样，便可使一个大的用户程序在较小的内存空间中运行；也可使内存。这样，便可使一个大的用
10、户程序在较小的内存空间中运行；也可使内存 中同时装入更多的进程并发执行。从用户角度看，该系统所具有的内存容中同时装入更多的进程并发执行。从用户角度看，该系统所具有的内存容 量，将比实际内存容量大得多，人们把这样的存储器称为虚拟存储器。量，将比实际内存容量大得多，人们把这样的存储器称为虚拟存储器。 6.1.1 6.1.1 虚拟存储器的引入虚拟存储器的引入 华北电力大学计算机系 虚拟存储器是具有请求调入和置换功能，能仅把作业的虚拟存储器是具有请求调入和置换功能，能仅把作业的 一部分装入内存便可运行，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一部分装入内存便可运行，能从逻辑上对内存容量进行扩充的 一种存储器系统
11、。一种存储器系统。 其逻辑容量由内存和外存容量之和所决定，其运行速度其逻辑容量由内存和外存容量之和所决定，其运行速度 接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。 可见，虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器管理可见，虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器管理 技术，故被广泛地应用于大、中、小型机器和微型机中。技术，故被广泛地应用于大、中、小型机器和微型机中。 6.1.1 6.1.1 虚拟存储器的引入虚拟存储器的引入 华北电力大学计算机系 请求分页系统请求分页系统 它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能
12、和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。它允许和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。它允许 只装入若干页（而非全部程序）的用户程序和数据，只装入若干页（而非全部程序）的用户程序和数据， 就可以启动运行，以后再通过调页功能和页面置换功就可以启动运行，以后再通过调页功能和页面置换功 能，陆续把将要运行的页面调入内存，同时把暂不运能，陆续把将要运行的页面调入内存，同时把暂不运 行的页面置换到外存上，置换时以页面为单位。行的页面置换到外存上，置换时以页面为单位。 6.1.2 6.1.2 虚拟存储器的实现方式虚拟存储器的实现方式 华北电力大学计算机系 2 2 请求分段系统请求分段系统 它是在分段系统的
13、基础上，增加了请求调段和分它是在分段系统的基础上，增加了请求调段和分 段置换功能所形成的段式虚拟存储系统。它允许只装段置换功能所形成的段式虚拟存储系统。它允许只装 入若干段（而非全部段）的用户程序和数据，就可以入若干段（而非全部段）的用户程序和数据，就可以 启动运行，以后再通过调段功能和置换功能将不运行启动运行，以后再通过调段功能和置换功能将不运行 的段调出，同时调入将要运行的段，置换以段为单位的段调出，同时调入将要运行的段，置换以段为单位 3 3 请求段页式系统请求段页式系统 它是在段页式系统的基础上，增加了请求调页和它是在段页式系统的基础上，增加了请求调页和 页面置换功能所形成的段页式虚拟
14、存储系统。页面置换功能所形成的段页式虚拟存储系统。 6.1.2 6.1.2 虚拟存储器的实现方式虚拟存储器的实现方式 华北电力大学计算机系 离散性：指在内存分配时采用离散的分配方式，离散性：指在内存分配时采用离散的分配方式， 它是虚拟存储器的最基本的特征。它是虚拟存储器的最基本的特征。 多次性：指一个作业被分成多次调入内存运行，多次性：指一个作业被分成多次调入内存运行， 即在作业运行时没有必要将其全部装入，只须将即在作业运行时没有必要将其全部装入，只须将 当前要运行的那部分程序和数据装入内存即可。当前要运行的那部分程序和数据装入内存即可。 对换性：指允许在作业的运行过程中在内存和外对换性：指允
15、许在作业的运行过程中在内存和外 存的对换区之间换进、换出。存的对换区之间换进、换出。 虚拟性：指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户虚拟性：指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户 所看到的内存容量远大于实际内存容量。所看到的内存容量远大于实际内存容量。 它是虚拟存储器最重要的特征。它是虚拟存储器最重要的特征。 6.1.3 6.1.3 虚拟存储器的特征虚拟存储器的特征 华北电力大学计算机系 6.2.1 6.2.1 请求分页中的硬件支持请求分页中的硬件支持 6.2.2 6.2.2 页面分配页面分配 6.2.36.2.3 页面调入策略页面调入策略 6.2 6.2 请求分页存储管理方式请求分页存储管理方式 华
16、北电力大学计算机系 它是在纯分页系统的基础上，增加了请求调页功它是在纯分页系统的基础上，增加了请求调页功 能、页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统，它是能、页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统，它是 目前常用的一种虚拟存储器的方式。目前常用的一种虚拟存储器的方式。 页表机制页表机制 它是在纯分页的页表机制上形成的，由于只将应用程序的它是在纯分页的页表机制上形成的，由于只将应用程序的 一部分调入内存，还有一部分仍在磁盘上，故需在页表中再增一部分调入内存，还有一部分仍在磁盘上，故需在页表中再增 加若干项，供程序加若干项，供程序( (数据数据) )在换进、换出时参考。在请求分页系在换进、换出时参考。在请求分页系 统中的每个页表项如图所示。统中的每个页表项如图所示。 6.2.1 6.2.1 请求分
