计算机操作系统第四章

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1、第四章 存储器管理u 存储器的层次结构 u 程序的装入和链接 u 连续分配方式 u 基本分页存储管理方式 u 基本分段存储管理方式 u 虚拟存储器 u 请求分页存储管理方式 u 页面置换算法 u 请求分段存储管理方式目的：内存有限，有效地对内存进行 管理4.1 存储器的层次结构一 多级存储器结构CPU寄存器高速缓存主存磁盘缓存磁盘可移动存储介质速度越快 价格越高 容量越小可执行存储器，是 OS存储管理的对象。 信息掉电即丢失。 对它的访问，通过 OS指令即可，耗费 时间少，访问速度快辅存，对它的 访问通过I/O 设备来实现二 寄存器与主存 1 寄存器 寄存器是CPU的组成部分，可用来暂存指令、

2、 数据和地址。容量小，价格十分昂贵。 在CPU的控制部件中，包含的寄存器有指令寄 存器和程序计数器；在中央处理器的算术及逻 辑部件中，包含的寄存器有累加器。 寄存器是内存阶层中的最顶端，也是系统获得 操作资料的最快速途径，完全能与CPU协调工作 。寄存器的长度通常以“字”作为单位。 2 主存储器 内存指的就是主板上的存储部件，用于保存 进程运行时的程序和数据。 CPU直接与之通信，从中读数据送入寄存器 ，或将寄存器的数据写入内存， 内存的访问速度远低于CPU的指令执行速度 ，为缓和这一矛盾，引入了高速缓存。三 高速缓存和磁盘缓存一 高速缓存 l 在CPU和主存之间增加的用于提高系统执行 效率的

3、存储器，即Cache。速度比内存快，容 量介于寄存器与内存之间。 l 根据程序执行的局部性原理，将主存中经常 被访问的信息存放在Cache中。CPU取数据时 ，先从Cache中寻找，若没有，再去内存寻找 。 l 高速缓存可有多级，一级高速缓存紧靠内存 ，速度最快，容量最小；二级高速缓存容量稍 大，速度稍低。二 磁盘缓存 由于磁盘的I/O速度远低于对内存的访问速度 ，因此将频繁使用的一部分磁盘数据和信息， 暂时存放在磁盘缓存中，以提高访问速度。 磁盘缓存并不实际存在，依托于固定磁盘， 提供对主存空间的扩充。 它的原理是：将一段时间内常用的磁盘数据 放在内存的某个区域；或将CPU处理完后需要 输出

4、的数据暂存于内存的某个区域。4.2 程序的装入和链接p 从源程序到程序执行 p 地址空间的概念 p 重定位的概念 p 程序的装入 p 程序的链接一 从源程序到程序执行 编译：编译程序 由编译程序（Compiler）将用户源代码编译成若干个目 标模块。 链接：链接程序 由链接程序（Linker）将编译后形成的一组目标模块， 以及它们所需要的库函数链接在一起，形成装入模块。 装入：装入程序 由装入程序（Loader）将装入模块复制到内存中。库汇编 编译主子1子2目标模块链接程序装入模块库主子1子2装入程序内存库主子1子2二 地址空间 物理（绝对）地址程序执行 每个内存单元的固定顺序地址（编号）。

5、由物理地址组成的空间集合称为物理空间。 逻辑（相对）地址装入（汇编编译） 被链接装配（或汇编、编译）后的目标模块所 限定的地址的集合； 相对于某个基准量（通常为：0）的编址。 由逻辑地址构成的空间集合称为逻辑空间。物理地址 内存00000 00001 00002. . .0100001FFF主子1子2主子1子2逻辑地址 装入模块000. . .DFF主子1子2相对地址 源程序/单个目标模块0005FF0003FF0003FF三 重定位 重定位 概念：把程序装入内存时，修改程序中所有 与地址有关的项。 逻辑地址变换为物理地址。 重定位的类型 静态重定位：程序执行前，一次性地变换 地址并装入内存。

6、 动态重定位：处理机每次访问内存时，由 动态地址变换机构（硬件）自动执行地址 变换。作业地址空间 内存空间装入365LOAD 1,2500500025001000365LOAD 1,250015000125001000011000365LOAD 1,1250015000125001000011000内存地址空间四 程序的装入 就是把链接好的装入模块装入“内存”。 装入方式 绝对装入 可重定位装入（静态重定位） 动态运行时装入（动态重定位）u 绝对装入方式 要求：事先清楚程序将驻留在内存的什么位置 该内存地址可由程序员给出，也可由编译程序 申请。 概念：装入程序直接按照装入模块中的地址， 将程序

7、和数据装入内存。逻辑地址与内存地址相 同，无须进行地址变换。 局限：仅可应用于单道程序环境中u 静态重定位 在装入程序将装入模块装入内存时，进行 逻辑地址到物理地址的转换 数据地址和指令地址都要做相应修改 地址变换在程序装入内存时一次完成， 一旦程序装入内存，不允许它在内存空间 移动。u 动态重定位 装入程序将装入模块装入内存后，并不 立即将相对地址转换为绝对地址，而是将 地址转换推迟到程序执行时才进行。 为避免程序运行时，进行地址转换影响 指令执行的速度，需要重定位寄存器的支 持五 程序的链接 链接： 把一个程序相关的一组目标模块和系统调用模块（ 库函数）链接形成一个整体装入模块的过程。 具

8、体工作： 对相对地址的修改；变换外部调用符号。 链接方式： 静态链接 装入时动态链接：便于修改和更新；便于共享。 运行时动态链接：最小化快速装入，节省内存。u 静态链接方式 程序运行前，先将各目标模块及它们所需要 的库函数，链接成一个完成的可装入模块，以 后不再拆开。 要做的两项工作：1 修改相对地址2 将外部调用符号修改成相对地址模块A Call B; Return;0L-1模块B Call C; Return;0M-1模块C ; Return;0N-1链接模块A JSR “L”; Return;0L-1模块B JSR “L+M”; Return;LL+M-1模块C ; Return;L+M

9、L+M+N-1装入模块u 装入时动态链接 并不事先链接成一个可装入模块 源程序经过编译得到的目标模块，在装入内 存时边装入边链接。 即在装入一个目标模块时，若发生外部调用 事件，则由装入程序找出相应的外部目标模块 ，进行链接并装入内存。此时，也应修改目标 模块中的相对地址。 优点：便于修改、更新和共享 将对某些模块的链接推迟到程序执行时进行 。 即，在程序执行过程中，发现一个被调用模 块尚未调入内存，立即由OS去找到该模块，并 将其装入内存，链接到调用者模块上。 优点：程序执行时，未用到的模块，都不进 入内存，不进行链接。加快了程序的装入过程 ，节省了内存空间。u 运行时动态链接4.3 连续分

10、配方式 单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 可重定位分区分配 对换连续分配方式：为用户程序分配一个连续的内存 空间。曾在20世纪60-70年代被广泛应 用，至今仍在内存分配方式中占有一席 之地。一 单一连续分配 单一连续分配的基本思想 把内存分为系统区和用户区，系统区供OS使用 ，通常放在低址部分；系统区以外的全部内存空 间是用户区。 单一连续分配的特点 只能用于单用户、单任务的OS中。 软件简单，硬件要求低（无需存储保护） 实例 CP/M，MS-DOS，RT-11DOS内存分区 CP/M内存分配系统参数区BIOS CCPBDOS系统区系统区二 固定分区分配 基本思想将内存的用户空间划分

11、成若干个固定大 小的区域，在每个分区中只允许装入一道作 业。 特点： p 有几个分区，则允许几道作业并发执行 p 当有空闲分区时，则从外存后备队列选择 一个适当大小的作业进入该分区。 划分分区的方法 分区大小相等 分区大小不相等缺乏灵活性：作业小，造成内存空间的浪费； 作业大，一个分区装不下，作业无法运行。因 此，常用于工控系统中。将用户区划分成具有多个较小的分区、适量的 中等分区及少量的大分区，以满足不同作业的 需求 内存分配管理 分区使用表（MBT） 分区按大小排队 由内存分配程序检索分区使用表，找 到符合要求的分区。区号/键大小位置状态18 K512K正使用232 K520K正使用332

12、 K552K未使用4128 K584K未使用5512 K712K正使用系统区分区 1分区 4分区 5分区 2分区 3系统区作业 3分区 4作业 2作业 1分区 3 存储保护与重定位（地址转换） 每个分区（一道程序）对应一对界地址寄存 器：上/下限寄存器。 采用静态重定位方式，即由链接/装入程序完 成。 优缺点 优点：简单，要求的硬件支持少（一对R） ； 缺点：存在大的碎片（内碎片），主存利用 率低。 碎片很多小的内存空间 内碎片碎片处于分区内部 外碎片碎片处于分区与分区之间三 动态分区分配 思想 位置和大小都不固定，根据进程的实际 需要，动态分配内存空间，又称可变分 区分配。例子：一计算机系统

13、有2560KB内存，采用可变分区模式管理， OS占低地址的400KB空间，用户内存为2160KB。如图所示：OSP1OSP1P2OSP1P2P3OSP1P4空闲P3OS注意 1.可变分区模式下，刚开始，OS就绪，但任何 用户程序未进入内存前整个用户内存区是一大空 间。已占用区和空闲分区并不是绝对的。 2.必须用某种数据结构来记录分区的情况。 3.程序进入内存时的例行工作就是分配空闲区和装入程序，并修改相应的数据结构。 4.一旦一个内存分区被分配给一个进程，该进 程被装入时需重定位。 数据结构的两种形式 空闲分区表 空闲分区链空闲分区表用于记录每个空闲分区的情况， 每个空闲分区占一个表目，表目中

14、包括分 区序号、分区始址、分区大小等项目利用双向链表形式，记录空闲分区的使用 情况。每个空闲分区除记录该分区的基本情况外， 还要在头部和尾部分别增加前向指针和后向 指针，以实现对分区的双向链接，便于检索。 存储分配算法 首次适应算法 循环首次适应算法 最佳适应算法 最快适应算法 快速适应算法 u 首次适应算法 数据结构-空闲分区链，按照地址递增的次序链接l 算法-从链首开始顺序查找，把找到的第一个 能满足申请者要求的空闲区分配给申请者。 若空闲区比作业长度大，则分割该空闲区： 一部分分配给作业，剩余部分空闲。若找不到，则内存分配失败，返回。 特点-优先利用内存中低址部分的空闲分区 优点-保留了

15、高址部分的大空闲区，留给以后到 达的大作业。 缺点-低址部分不断被划分，留下很多难以利用 的小碎片-每次查找都是从低址开始，增加了查找的 开销u 循环首次适应算法 改进算法-分配内存空间时，不再是从链首开始查 找，而是从上次找到的空闲分区的下一个空 闲分区开始查找，直到找到一个能满足要求 的空闲分区，然后从中划出与请求大小相等 的内存空间分配给作业。-采用循环查找方式，如果找到链尾仍未 找到合适的分区，则返回链首继续查找。 改进数据结构-增加一起始查询指针，指示下一次起始查 询的空闲分区。l 优点-内存的空闲分区分布更均匀，减少了查找 空闲分区的时间开销l缺点-缺乏大的空闲分区u 最佳适应算法 数据结构-空闲分区链，空闲分区按容量由小到大排 列 算法-为作业分配内存时，把能满足要求的最小 的空闲分区分配给作业l 缺点-每次分配后剩余部分都是最小的，因此会 留下许多难以利用的小碎片u 最坏适应算法 数据结构-空闲分区链，