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1、1第七章 主存管理( 0 ) 存储组织(一) 主存的共享方式(二) 主存管理的功能(三) 分区存储管理技术(四) 页式存储管理技术(五) 段式及段页式存储管理技术2存储组织 存储器的功能是保存数据，存储器的发展 方向是高速、大容量和小体积。 存储组织是指在存储技术和CPU寻址技术 许可的范围内组织合理的存储结构。l其依据是访问速度匹配关系、容量要求和价格 。l“寄存器-内存-外存”结构l“寄存器-缓存-内存-外存”结构3存储层次结构 快速缓存：lData CachelTLB(Translation Lookaside Buffer) 内存：DRAM, SDRAM等； 外存：硬盘、光盘、软盘、磁
2、带等；4某计算机的存储层次结构 CPU中的寄存器100个字；高速缓存512KB，存 取周期15ns； 主存储器128MB，存取周期60ns； 磁盘容量20GB，存取周期毫秒级； 后援存储容量1TB，存取周期秒级。访问速度越慢，容量越大，价格越便宜； 最佳状态应是各层次的存储器都处于均衡的繁 忙状态（如：缓存命中率正好使主存读写保持 繁忙）；5(一) 主存的共享方式 为什么要共享主存？l处理器和外部设备串行工作；l一个作业独占主存储空间，降低存储空 间的利用率；l计算机的外围设备利用率不高。6主存共享方式：空间分片 大小不等的区域 分区存储管理分段存储管理 大小相等的片 页式存储管理 两者结合
3、段页式存储管理7(二) 主存管理功能一、几个概念 1. 物理地址（绝对地址、实地址）物理地址是计算机主存单元的真实地址，又称绝对 地址或实地址。 2. 主存空间物理地址的集合所对应的空间组成了主存空间。 3. 区域物理地址集合的一个递增整数序列子集n, n+1, ,n+m所对应的主存空间。94. 逻辑地址（相对地址、虚地址） 用户的程序地址（指令地址或操作数地址）均为逻 辑地址。 5. 作业地址空间 用户程序所有的逻辑地址集合对应的空间。其编址 总是从0开始。作业地址空间0 1n-1106. 作业地址空间与主存空间 主存空间0 1m-1作业1地址空间0 1n-1作业 i 地址空间0 1k-1
4、11二、主存管理功能1. 实现逻辑地址到物理主存地址的映射2. 主存分配3. 存储保护4. 主存扩充12三、主存映射 1. 什么是地址映射(1) 为什么要进行地址映射作业的相应进程在处理机上运行时，所要访问的指令 和数据的实际地址和地址空间中的地址是不同的。这 种情况可用下图来说明。mov r1,500123mov r1,500123010050059901000 1100 15001599256k-1作业地址空间存储空间13(2) 什么是地址映射将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主 存中的物理地址的过程，称为地址映射。 142. 地址映射的时机与类别(1) 编程或编译时确定地址映射关系在程
5、序编写或程序编译时确定虚、实地 址之间的对应关系，结果是一个不能浮 动的程序模块。152. 地址映射的时机与类别（续）(2) 在作业装入时确定地址映射关系在作业装入过程中随即进行的地址变换 方式称为静态重定位或静态地址映射。16mov r1,500123mov r1,500+m12301005005990mm+100256k-1作业地址空间存储空间m+500重定位 装入程序172. 地址映射的时机与类别（续）(3) 在程序运行时确定地址映射关系在程序执行期间，随着每条指令和数据 的访问自动地连续地进行地址映射。18mov r1,500123mov r1 , 500 12301005005990
6、1000256k-1作业地址空间存储空间重定位寄存器1100 150016005001000逻辑地址+19动态地址映射技术能满足以下目标 ： 具有给一个用户程序任意分配内存区的 能力； 可实现虚拟存储； 具有重新分配的能力； 对于一个用户程序，可以分配到多个不 同的存储区。203. 静态映射与动态映射的区别静态地址映射动态地址映射在作业装入过程中进 行地址映射 在程序执行期间进行 地址映射需软件 重定位装入程序 需硬件地址变换机构 重定位寄存器需花费较多CPU时间地址变换快不灵活灵活214. 程序的逻辑组织程序地址空间可分为： 一维线性空间：程序和数据经编译、连接后成一 个连续的地址空间； 多
7、维空间：编译后产生代码段、数据段、栈段。22四、主存分配（1）1. 构造分配用的数据结构主存资源信息块： 等待队列头指针 自由主存队列头指针 主存分配程序地址23四、主存分配（2）2. 制定主存分配策略(1) 放置策略 选择一个空闲区或若干空闲区的原则 (2) 调入策略 决定信息装入主存的时机 预调策略：预先将信息调入主存 请调策略：当需要信息时，将信息调入主存 (3) 淘汰策略在主存中没有任何可用的空闲区时，决定哪些信息 从主存中移走，即确定淘汰已占用的内存区的原则 。24四、主存分配（3）3. 实施主存分配与回收25五、主存扩充主存扩充也就是提供虚拟存储器。 1. 问题的提出主存容量始终显
8、得十分紧张如何使用户使用计算机不受主存容量的 限制？ 2. 解决问题的思路部分装入，部分对换。26 装入部分程序地址空间，它还能正 确执行吗？ 回答是肯定的，1968年P.Denning研究了 程序执行时的局部性原理。 程序的局部性原理指程序在执行过程中 的一个较短时间内，所执行的指令地址 或操作数地址分别局限于一定的存储区 域中。27 第一，程序中只有少量分支和过程调用，大都 是顺序执行的指令。 第二，程序包含若干循环，是由相对较少的指 令组成，在循环过程中，计算被限制在程序中 很小的相邻部分中。 第三，很少出现连续的过程调用，相反，程序 中过程调用的深度限制在小范围内，一段时间 内，指令引
9、用被局限在很少几个过程中。 第四，对于连续访问数组之类的数据结构，往 往是对存储区域中相邻位置的数据的操作。 第五，程序中有些部分是彼此互斥的，不是每 次运行时都用到的，如出错处理程序。283. 虚拟存储器的概念 由操作系统和硬件相配合来完成主存和 辅存之间的信息的动态交换。这样的计 算机系统好像为用户提供了一个其存储 容量比实际主存大得多的存储器，这个 存储器称为虚拟存储器。 在具有层次结构存储器的计算机系统中 ，采用自动实现部分装入和部分对换功 能，为用户提供一个比物理主存容量大 得多的、可寻址的一种“主存储器”。29虚拟存储器是为扩大主存而采用的一种 设计技巧，它的容量与主存大小无直接
10、关系，而受限于计算机的地址结构及可 用的辅助存储器的容量。其基本思想即以时间换得空间。304. 虚拟存储器的实现方法 程序的全部代码和数据存放在辅存中； 将程序当前执行所涉及的那部分程序代 码放入主存中； 程序执行时，若所需信息不在主存，由 操作系统和硬件相配合来完成主存从辅 存中调入信息，程序继续执行。 31虚拟地址空间处理器虚地址存储 管理 部件实地址主存辅存物理地址空间虚拟存储器的概念图325. 虚拟存储器的核心 逻辑地址与物理地址分开 主存空间与地址空间分开 提供地址变换机构 336. 实现虚拟存储器的物质基础 有相当容量的辅存： 足以存放多用户的作业的地址空间 有一定容量的主存： 存
11、放运行进程的当前信息 地址变换机构34六、存储保护 1. 什么是存储保护在多用户环境中，主存储器按区分配给各用户程序使用。为了互不影响，必须 由硬件（软件配合）保证每道程序只能 在给定的存储区域内活动，这种措施叫 做存储保护。352. 存储保护方法 界地址保护 存储键保护36六、存储保护（续）3. 界地址保护 (1) 上、下界防护 下界寄存器20KBmov r1 , 500123020KB256KB1 存储空间24KB上界寄存器24KB 如何设置上下界寄 存器内容 如何判断是否越界 满足： 20KBD24KB 则允许访问，否则 发生越界中断。37B B下限寄存器下限寄存器逻辑地址逻辑地址CPU
12、CPU 绝对地址绝对地址操作系统区操作系统区用户分区用户分区1 1用户分区用户分区2 2用户分区用户分区3 3B+L2B+L2上限寄存器上限寄存器(调用X段的入口E) call Y (调用Y段的入口F) load 1,A(调用数组段AG) 主程序段E：F：子程序段YG：工作区段100 3. 段式地址空间 4. 段表段 号 s 段 内 位 移 w段号长度基址 0XXXXXX 1XXXXXX 2XXXXXX101二、段式地址变换 长度 基址L Bs w B+w第S段段号段内位移段式地址变换的步骤如下： 取出程序地址(s，w)。 用s检索段表。 如w0或wL则主存越界。 (Bw)即为所需主存地址。1
13、02三、请求分段虚拟存储系统 分段式虚拟存储系统把作业的所有分 段的副本都存放在辅助存储器中，当 作业被调度投入运行时，首先把当前 需要的一段或几段装入主存，在执行 过程中访问到不在主存的段时再把它 们装入。 103三、页式系统与段式系统的区别1. 用户地址空间的区别 页式系统中用户地址空间 一维地址空间 段式系统中用户地址空间 二维地址空间1042. 分段与页面的区别分 段页 面信息的逻辑划分信息的物理划分段长是可变的页的大小是固定的用户可见用户不可见w字段的溢出将产生 越界中断w字段的溢出自动加 入到页号中105四、段页式存储管理1. 在段式存储管理中结合分页存储管理技术 ，在一个分段内划
14、分页面，就形成了段页式 存储管理。 段页式地址结构的用户地址空间。code_addr4KB10代码分段data_addr3KB10数据分段stack_addr2KB10栈段1062. 段页式系统中段表、页表与主存的关系 0 1n段号 页表长度 页表首址 3页号 0 1块号其他0段页表页号 0 1块号其他1段页表主 存段表2 2107本章小结一、基本概念1. 逻辑地址 作业地址空间物理地址 存储空间2. 地址变换 定义 类型：静态地址重定位 定义 实现动态地址重定位 定义 实现3. 虚存 定义 4. 存储保护 定义108本章小结（续）二、分区存储管理1. 什么是动态分区分配2. 分区分配方法：数
15、据结构回收分区的四种情况3. 放置策略：首次适应算法 定义 特点最佳适应算法 定义 特点两种放置策略的讨论4. 分区的缺点及解决：碎片 拼接109本章小结（续）三、页式存储管理 1. 页式地址变换：页面 块 页表地址变换过程2. 请调策略： 扩充页表功能 中断位 辅存地址 3. 淘汰策略： 扩充页表功能 引用位 改变位抖动置换算法 定义 常用的两种算法 4. 段式系统的二维地址结构110课堂练习假设在分页管理系统中，CPU地址长度 为16位，页面大小为2k。 求每个作业最大页面数。 2k211， 页内偏移需要11位，页号可用位数为 16115。 最大页面数为2532。111 某作业有4页，分别分配到主存的2、5、 7、4块中，画出该作业的页表。页号块号 02 15 23 36 对于作业中的逻辑地址为5240的指令， 计算其物理地址。112 5240220481144该指令在第2页，页内偏移为1144。 又根据页表，第2页在内存中的第3块， 该指令的物理地址 3204811447288113作业 习题7-8
