电子科技大学计算机操作系统―第四章 存储管理

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1、第四章,存储管理,4.1 存储管理的基本概念（一）,这里只讨论内存管理，外存管理在设备中讨论。,存储器是价格昂贵，数量不足的资源。存储管理的效率直接影响到系统的性能，也最能够反映一个操作系统的特色。因此，存储管理的问题是操作系统的核心问题。,存储管理的目的 1.为用户使用存储器提供方便。 在逻辑空间编程 提供足够大的存储空间 2.充分发挥内存的利用率。,4.1 存储管理的基本概念,存储管理的功能, 内存分配 内存保护 地址映射 内存扩充, 内存分配, 内存保护, 地址映射, 内存扩充,讨论内容,装入模块,装入,内 存,装入程序,链接,装入,链接,运行,编译, 内存分配,4.1 存储管理的基本概

2、念, 调入策略 确定装入时机 （预调、请调） 放置策略 如何分配空闲内存区的原则 （算法、连续、 不连续） 淘汰策略 当使用请调策略时，确定淘汰哪些信息， 以腾出内存空间，以便调入需要的信息。,可分为相等和不相等的内存块,内存分配与回收,分配策略,内存划分,内存回收,回收进程所释放的存储空间,存储管理的功能,4.1 存储管理的基本概念,1. 地址空间和存储空间 程序经过编译所形成的目标代码，一般使用相对地址；即其首地址为 0 ，其它指令的地址是相对首地址而定。相对地址又称为逻辑地址。 该目标代码相对地址的全体称为程序的地址空间，或逻辑空间。 实际的内存物理地址的集合称为物理空间，或存储空间。,

3、地址映射,存储管理的功能,4.1 存储管理的基本概念,2、重定位（Relocation） 为了保证程序的执行，操作系统必须将执行过程要访问的逻辑地址转换为物理地址。这种地址的转换过程称为重定位或地址映射。,地址映射,存储管理的功能,重定位分为静态、动态两种： 静态重定位 程序装入过程中一次完成地址映射。运行过程中，地址空间不允许改变。 优点：软件实现，无需硬件支持。 缺点：分配连续空间，程序不能移动。,4.1 存储管理的基本概念, 动态重定位 重定位发生在程序执行过程中，在访问指令或数据时，才进行地址变换。需要硬件地址变换机制实现。,500,1000,VR,BR,+,4.1 存储管理的基本概念

4、,一。程序的装入和链接, 绝对装入方式 装入程序按照装入模块中的绝对地址将程序和数据装入内存。 可重定位装入方式 装入模块为相对地址（逻辑地址），装入程序按照当前内存使用的情况，将装入模块装入内存的某个物理地址。但是装入后不允许移动。 重定位将逻辑地址转换为物理地址的过程，也称为地址变换或地址映射。 由于地址变换是在装入时一次完成的，又称为静态重定位。,1。程序的装入方式, 动态运行时装入方式 将装入模块装入内存后，运行时才进行地址变换，又称为动态重定位。,4.1 存储管理的基本概念, 静态链接 事先将所需目标模块链接生成一个完整的装入模块（. exe）运行时直接装入内存。, 动态链接 装入时

5、链接 边装入时边链接。即装入一个目标模块后，再将它所调用的外部模块装入，可存放在内存的任何地方，并修改目标模块中的相对地址。 运行时链接 延迟到运行时，才将当前被调用的目标模块装入,并链接。,链接由链接程序将目标模块及其所需的库函数，装配 链接生成装入模块的过程。,2.程序的链接,4.1 存储管理的基本概念,实存方案 分区分配管理 分页管理 分段管理,虚存方案 请求式分页管理 请求式分段管理 段页式管理,二。存储管理的机制,内存分配策略 地址映射机制 内存保护机制,虚拟存储机制,4.2 分区存储管理,一。固定分区（Fixed Partitions） 将内存固定划分为相等或不等的区域，称为分区，

6、分区一旦划定，在执行过程中分区长度和个数将不再变化。建立内存分配表记录分区分配的情况。,简单、可靠，但产生分区“内零头”。内存利用效低。,分区存储管理的基本思想： 将内存划分为若干分区，对用户作业进行连续分配。,4.2 分区存储管理,二、可变分区（Variable Partitions） 1.数据结构 。已分配分区表 。未分配分区表 通常表项由存储控制块MCB（区号、长度、始址等）描述。 并按照某种次序构成链结构。,2.分区分配算法 首次适应算法FF（First Fit） 未分配分区按照地址从小到大排列。分配时顺序查找，选择第一个满足要求的分区进行分配。 循环首次适应算法RFF 分配时从上次已

7、分配分区的下一空闲分区开始查找。查找到链尾后，又从链首开始查找。 最佳适应算法BF（Best Fit） 按照空闲区大小升序排列，分配时顺序查找，选择第一个满足要求的最小分区进行分配。 最坏适应算法WF（Worst Fit） 未分配分区按照大小从大到小排列。分配时顺序选择当前最大区。,分配算法小结,名 称 未分配区组织 策 略 优 点 缺 点 首次适应算法 循环首次适应算法 最佳适应算法 最坏适应算法,名 称 未分配区组织 策 略 优 点 缺 点 首次适应算法 循环首次适应算法 最佳适应算法 最坏适应算法,4.2 分区存储管理（三）,3。分区的分配与回收操作,将分区分配给请求者 修改数据结构,p

8、110,4.2 分区存储管理（四）,3。分区的分配与回收操作,（P143 图5-10）,回收,F1,回收区,F1,回收区,F2,回收区,F1,内存回收的三种情况,4.2 分区存储管理（四）,3。分区的分配与回收操作,4.2 分区存储管理（五）,三。动态重定位分区分配,1.紧凑技术 也称为“拼凑”技术，用于解决可变分区中产生的“外零头”，即移动某些已分配分区，使“外零头”合并为一个大的连续空闲区。 （P111 图4-8),2。分配算法,请求分配,顺序查找 空闲分区表,有可用分区,动态分配,修改数据结构,Y,空闲区总 和需求,N,紧凑,修改数据结构,Y,返回,N,显然，可变分区分配克服了内零头，提

9、高了内存的利率，但产生了外零头。使小碎片得不到利用。,返回分区号 及首地址,思 考 题,1、 说明重定位分区分配方式的地址转换机制？如何实现分区存储保护？ 2、 为什么要引入对换技术？如何实现进程的对换？,4.3 分页存储管理（一）,离散式内存分配 允许一个进程分配在不相连接的内存 区域中，以利于提高存储效率。,一。分页存储管理的基本思想 将地址空间划分为大小相等的页面，将内存空间也划分为大小相等的物理块，一个作业的所有页面一次装入，但可不连续存放。 1、 分页地址结构,页号 P 位移量 W,31,12 11,0,内存连续分配的问题 ： 产生内零头或者外零头。 采用紧凑技术增加额外开销。,页面

10、大小通常为2的整数次幂（512字节4K）。,4.3 分页存储管理（二）,页表PT（Page Table）,页号 P 位移量 W,逻辑地址LA,页框号 位移量,物理地址,2、内存分配 将地址空间连续划分为大小相等的页面，将内存空间也划分为大小相等的物理块（页框），一个作业的所有页面一次装入，但可不连续存放。仅存在很少的页内零头。,为每个进程建立一张页表，每页占据一个表项，页表通常 放在内存中。,4.3 分页存储管理（三）,二。地址映射机制 是通过“页表”来实现地址映射的。,页 号 块 号 存取控制,页描述子,+,如果页号页表 长度，则中断， 否则继续.,如果访问非法， 则中断，否则 继续。,页

11、号 位移量,虚拟地址 LA,块 号 位移量,物理地址,页表始址 长度,页表寄存器PTR,页 表,块号 存取控制,页描述子,页 号 0 1 . . .,块 号,位移量,4.3 分页存储管理（四）,由于页表存放在内存，每存取一个数据，CPU 要访两次内存，几乎降低了一半的计算速度，为了加快地址变换的速度，在地址变换机构中建立一个高速缓冲存储器，也称为联想存储器(Associative Memory)或快表。,2。具有快表的地址变换机构,三。分页系统中的超高速缓存（Cache Memory）,在Cache中，存放现行进程的页表副本，即记录现行进程中最常用的页描述子。 页表表目是在访问内存的过程中按需

12、要动态装入快表的，当进程切换时，快表被清零。 P153 图5-18 描述了具有快表的地址变换过程。,1。为什么要设置快表,4.3 分页存储管理（五）,在缓存中查找页 描述子，找到了 则提取。,快表的命中率可高达 80%90%。,利用页描述子和位移量计算物理地址,2,在缓存中未找到，从页表中读取，并存入缓存。,利用页描述子和位移量计算物理地址,页号 位移量,虚拟地址,具有超高速缓冲存储器的地址变换过程,2 7 5 3 8 2 。 。 。,超高速缓存,页表,0 1 2 3 4 . . .,首先访问高速缓存，确定需要的页描述子是否在其中，如果没有发现，再访问存储器中的页表。同时将从页表中读出的页描述

13、子更新高速缓存中旧的页描述子。,4.3 分页存储管理（六）,1、什么是“页表”？它具有什么样的结构？其表 项 一般包括哪些字段？ 2、如何通过页表实现逻辑地址到物理地址的转换？ 画出地址转换的流程图。 3、分页存储管理采用什么存储保护措施？ 4、画出具有快表的地址转换过程的流程图。,问 题,4.3 分页存储管理（七）,四。多级页表 设置多级页表是为了解决逻辑空间过大，所造成的页表过大，占有太大的连续内存空间的 问题。,1。二级页表 页表内再分页，分为外层页表和内层页表。 逻辑地址结构：,外层页号 P1,内层页号 P2,页内地址 d,31 22 21 12 11 0,具有二级页表的地址变换机构：

14、,问题：1. 分别画出二级页表的页描述子的结构，你认为它们 应该存放在哪里？如何存放？ 2. 画出二级页表地址转换机制的流程图。,4.4 分段存储管理（一）,一、分段存储管理的基本思想 1、什么是分段 页是信息的物理单位，段（segments）是信息的逻辑单位，在逻辑上是一组整体的信息，每个段都是从0开始相对编址的。,2、为什么引入分段存储管理 方便用户编程和实现共享 便于实现动态链接,4.4 分段存储管理（二）,3、分段地址,在分段存储管理系统中，对所有地址空间的访问均要求两个成分：（1）段名； （2）段内地址。 例如： CALL X| 转移到子程序的入口点Y。 LOAD1， A| 将数组A

15、 的D单元的值读入寄存器1。 STORE1 B| 将寄存器1的内容存入分段B的C 单元中。,4.4 分段存储管理（三）,分段地址变换由段表实现，在作业被调入时，为其建立一张段表ST（Segment Table）。,由此可见：,二、分段地址变换,所谓分段管理，就是管理由若干分段组成的作业，且按分段来进行存储分配。实现分段管理的关键在于，如何保证分段（二维）地址空间中的一个作业在线性（一维）的存储空间中正确运行。,4.4 分段存储管理（四）,利用段表实现地址映射,4.4 分段存储管理（五）,段号 段长 主存地址,1,10K,2,3,+,10340,分段地址变换过程,4.4 分段存储管理（六）,三、分段存储保护,在进行地址转换时，将段号与段表寄存器中的段表长度进行比较，判断是否产生越界中断。 在进行存储访问时，将段地址的位移量与表目中段长进行比较，如果超过段长，便发出越界中断信号。 在段表的表目中，建立 “存取控制”项进行段保护。对非共享段