操作系统_存储管理(完)

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1、计算机软件技术基础 存储管理 第四章存储管理 4 1概述一 存储器的层次 三级存储器结构 本章主要讨论几种常用的内存管理技术 计算机软件技术基础 存储管理 二 用户程序的处理过程 4 1概述 绝对装入方式 按模块中的地址 将程序和数据装入到内存对应位置 可重定位方式 在装入程序时 根据当时内存的实际使用情况 重新调整装入的内存位置 把程序装入到内存的适当地方 数学模型 计算机软件技术基础 存储管理 三 地址重定位 映射 Relacation1 术语 4 1概述 名字空间 用户源程序中由符号指令 数据说明等符号名字构成的空间 经汇编或编译后其目标程序占有的地址范围称为地址空间 这些地址编号是相对

2、于起始地址 0 而定的 称为逻辑地址或相对地址 存储空间是目标程序装入内存后占用的一系列物理单元的集合 这些物理单元编号称为物理地址或绝对地址 把程序中的逻辑地址变成内存中的物理地址的过程 计算机软件技术基础 存储管理 2 重定位的两种方式静态重定位 在程序执行之前进行 由重定位装配程序根据将要装入的内存起始位置直接修改模块中的有关使用地址的指令 固定在内存的某个连续区域 不能再移动 重定位装配程序来实现 一对界地址寄存器实现保护 三 地址重定位 映射 内存中起始地址 内存中结束地址 计算机软件技术基础 存储管理 三 地址重定位 映射 特点 程序执行前一次性全部完成 性能分析 优点 实现简单

3、不需要硬件机构 缺点 程序重定位之后就不能再在内存中移动 要求程序的存储空间是连续的 不能放在若干个不连续的区域内 各个用户进程很难共享内存中的同一程序副本 例 假设已知一段程序的经汇编连接后逻辑地址空间如图所示 采用静态地址重定位 上 下界地址寄存器如图 试给出其存储空间图 与地址有关的量要做变更X x D 1300 计算机软件技术基础 存储管理 2 动态重定位时机 在程序执行过程中进行 当CPU访问内存指令时由动态变换机构自动进行地址转换 实现 目标模块不加任何修改而装入内存 由定位寄存器和加法器硬件完成地址转换 三 地址重定位 映射 例 假设已知一段程序的经汇编连接后逻辑地址空间如图所示

4、 采用动态地址重定位 试给出其存储空间图 程序不做任何修改装入内存 在执行时访问内存时利用重定位寄存器进行地址重定位 计算机软件技术基础 存储管理 特点 程序执行时动态地完成 性能分析 优点 程序装入内存之后再搬迁也不会影响其正确执行 每个目标模块装入的存储区不必顺序相邻 只需要各自对应的定位寄存器即可 是虚拟存储器技术的基础缺点 需要硬件支持 三 地址重定位 映射 计算机软件技术基础 存储管理 四 存储管理的功能内存的分配与回收 地址重定位 内存信息的共享与保护 内存的扩充 满足用户对内存超容量要求 4 1概述 计算机软件技术基础 存储管理 1 可由CPU调用执行的程序所对应的地址空间为 A

5、 名称空间B 虚拟地址空间C 相对地址空间D 物理地址空间 2 当程序经过编译或者汇编以后 形成了一种由机器指令组成的集合被称为 A 源程序B 目标程序C 可执行程序D 非执行程序 3 目标程序指令的顺序都以0作为一个参考地址 这些地址被称为 A 虚拟地址B 物理地址C 绝对地址D 重定位地址 4 若调用指令LOADA Data 经动态重定位后 其对应指令代码 A 保持不变B 会变化 随装入起始地址变化而变化C 会变化 固定在某一存储区域D 重定位项等于重定位寄存器内容 计算机软件技术基础 存储管理 目的 为了满足多道程序设计思想 方法 将内存划分为若干个分区 每个分区分配给一个作业 用静态重

6、定位方式进行地址转换 提供必要的保护手段 保证各作业互不干扰 在分区的划分方式上有固定分区和可变分区两种 4 2早期的存储管理技术 分区式分配方式 计算机软件技术基础 存储管理 一 固定式分区 静态分区 一 固定式分区 b 分区说明表 例 已知内存分配如图a所示 此时分区说明表如图b所示 现有后备作业队列如图c所示 试采用固定分区法进行内存分配 并给出相应的分区说明表 性能 分区大小固定 分区表的结构可以是顺序表也可以是链表 实现了多个作业共享内存 分区的分配和回收算法简单 缺点是内存利用不充足 有 碎片 即作业所需空间和分区大小不一定恰好相等 JobA 6k JobB 25k JobC 40

7、k 外部碎片剩余165K但不能分配给D 计算机软件技术基础 存储管理 4 2分区式分配方式 二 可变式分区 动态分区 思想 又称动态存储管理 只有当作业调入内存时 才按作业大小建立分区 当作业执行完后又释放此空间 计算机软件技术基础 存储管理 2 分区的管理与组织方式采用可变分区方式管理内存储器时 内存中有两类性质的分区 一类是已经分配给用户使用的 已分配区 另一类是可以分配给用户使用的 空闲区 对分区的管理 常用的方式有三种 表格法 单链表法和双链表法 二 可变式分区 计算机软件技术基础 存储管理 1 表格法 二 可变式分区 内存分区的管理表格 计算机软件技术基础 存储管理 2 单链表法 二

8、 可变式分区 单链表形式分区管理 在每块开始与结束的几个字节中存放有关本块状态的信息 称为控制信息区 如图a所示 计算机软件技术基础 存储管理 二 可变式分区 3 双链表法 空闲块链表 计算机软件技术基础 存储管理 空间分配例题 设某系统用户区大小为5000字节 地址为1 5000 初始状态如下图a所示 依次分配给5个作业P1 P5 作业占用区大小分别为1000 300 600 900 700 P0为余下的空闲块 各占用块和空闲块情况如下页图b和c所示 二 可变式分区 注意 空间分配回收时使用空闲块链表 计算机软件技术基础 存储管理 空间回收过程图 无空闲块合并发生 空间回收过程图 有空闲块合

9、并发生 当P5作业完成后 回收时由于其左右邻居均为空闲块 因此应进行合并 计算机软件技术基础 存储管理 分配算法 最先适应算法 First Fit 空闲表按空闲块的物理起始地址递增次序排列 分配时 从第一块依次查找 找到第一块能容纳作业的空闲块就停止 最佳适应算法 Best Fit 空闲表按空闲块的大小递增次序排列 分配时 从第一块依次查找 找到第一块能容纳作业的空闲块就停止 最差适应算法 Worst Fit 空闲表按空闲块的大小递减次序排列 分配时 将空闲块链表中第一块分配给用户 二 可变式分区 计算机软件技术基础 存储管理 三 多重式分区一个作业装入内存中多个不一定相邻的分区 优点 灵活利

10、用内存 缺点 碎片小了 但可能数量更多 4 2分区式分配方式 计算机软件技术基础 存储管理 四 分区管理的存储保护界地址法 静态重定位使用 4 2分区式分配方式 一对基地址 限长寄存器 动态重定位使用 计算机软件技术基础 存储管理 4 2分区式分配方式 五 可重定位式分区 紧缩分区 1 实现 向一个方向移动已分配的作业 使那些零散的小空闲区在另一方向连成一片 2 问题 地址项的修改 动态地址重定位 基址 限长寄存器保护 b 紧缩时机 回收时进行 每当作业结束 释放所占分区时 分配时进行 当新作业到来又没有能容纳的空闲区分配时 3 性能 消除了碎片 提高了内存利用率 但花费了大量的cpu时间 计

11、算机软件技术基础 存储管理 1 分区管理要求对每一个作业都分配内存单元 A 地址连续B 若干地址不连续C 若干连续的帧D 若干不连续的帧 2 碎片是指 A 存储分配完后剩余的空闲区B 没有被使用的存储区C 不能被使用的存储区D 未被使用 而又暂时不能使用的存储区 计算机软件技术基础 存储管理 引入 最早用于分时系统中提高内存利用率的一种内存扩充技术 思想 roll inroll out 除操作系统外 剩余的全部内存都分给当前正在执行的用户使用 当调度转向下一个用户时 当前用户内存区中的内容要写到外存中 被选中的用户的信息读入内存 实现 由换入和换出两个过程构成的交换进程完成 核心问题 保证对换

12、信息量要最少 只要保证当前正在执行的用户进程在内存中完整保存 技术支持一般都有动态重定位机构 因而一个作业换入内存时不一定要装入它被换出前所占据的区域中 需要较多软件的支持 4 3多道程序对换技术 计算机软件技术基础 存储管理 一 引入目的 为了解决分区存储管理中 当某作业需求空间大于内存物理空闲空间时 该作业无法运行的问题 二 原理 程序执行时的局部性原理三 思想 在一个程序执行过程中 不需要全部装入内存 而把不经常被进程访问的程序段和数据放在外存中 待需要访问它们时再将它们调入内存 部分装入内存 4 4虚拟存储器的概念 计算机软件技术基础 存储管理 三 虚拟存储器 是指仅把作业的一部分装入

13、内存便可运行该作业的存储器系统 具有请求调入和置换功能 4 4虚拟存储器的概念 虚拟存储管理技术需要解决的问题 1 什么时候把哪部分程序装入内存 2 放在内存什么位置 3 当内存空间不足时 把哪部分程序淘汰出内存 常用的虚拟存储技术有 分页存储管理 分段存储管理 段页存储管理 计算机软件技术基础 存储管理 四 物质基础二级存储器 内 外存 实现内 外存有机联系 动态地址转换机构 DAT 实现动态定位 实际上用户的虚拟地址空间并不可能是无限大 它受到以下两个条件制约 1 指令中地址长度的限制 2 外存储器容量的限制 计算机软件技术基础 存储管理 1 能够实现对内外存进行统一管理 为用户提供一种宏

14、观上似乎比实际内存容量大得多的存储器 A 覆盖技术B 交换技术C 物理扩充D 虚拟存储技术 2 若处理器有32位地址 则它的虚拟地址空间为字节 A 2GBB 4GBC 100KBD 640KB 计算机软件技术基础 存储管理 4 5请求分页式存储管理 一 分页式存储管理 静态分页 程序一次装入内存中若干个不连续的区域1 分页管理的基本概念 1 页面 页架 块 页 把每个作业的地址空间分成一些大小相等的片 称为 页 页架 或者 块 把内存的存储空间也分成大小与页相同的片 称为 页架 或者 块 2 页表与页表地址寄存器页表 系统为每个作业建立一个页面映像表 PMT 简称 页表 页表中应包括 页号 页

15、架号 状态 作业各页的页号 每个作业页号从零开始 该页面在内存中的页架号 表示该页是否在内存中 用 0 表示该页不在内存 用 1 表示在内存中 虚地址空间 实地址空间 5 计算机软件技术基础 存储管理 例 系统选择页的大小为1k字节 则块的大小也为1K 主存空间如图所示 1 已经分配空间给作业1 2 如图 2 作业3有3k字节 其分配空间与相应的页表如图 计算机软件技术基础 存储管理 一 分页式存储管理 静态分页 3 分页系统中的地址结构在分页系统中 每个虚拟地址用一个数对 p d 来表示 其中p为页号 d是该虚拟地址在页面号为p中的相对地址 称为页内地址 计算机软件技术基础 存储管理 如何将

16、逻辑地址转化为页号p与页内位移d 例1 设U 552为逻辑地址 页面大小为P 512 则页号p与页内位移d是多少 例2 设U 552为逻辑地址 页面大小为P 512 则页号p与页内位移d是多少 U 552 10 1000101000 2 解 P 512 10 2n 29 n 9 公式 计算机软件技术基础 存储管理 2 分页管理的原理逻辑地址如何转化为物理地址 进程的逻辑地址 虚地址 页号 P 页内地址 位移d 由硬件地址变换机构通过页表地址寄存器 页表PMT实现地址转换 一 分页式存储管理 静态分页 当某作业被调度到处理器上运行时 操作系统自动将该作业的页表的起始地址和长度装入页表地址寄存器中 计算机软件技术基础 存储管理 例题 假如某系统页面大小为 512 10字节 即相当于 1000 8字节 若逻辑地址为 1320 8 其转换为物理地址地址变换过程如图 分页管理的地址转换图 地址变换机构 23285 1320 计算机软件技术基础 存储管理 二 请求分页存储管理系统 动态分页 1 设计思想 允许只装入若干页 而非全部 的用户程序和数据 便可启动运行 以后根据请求陆续把即将要运行的页面