操作系统实存储器管理技术

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1、第8章 实存储器管理技术,8.1 引言 一、主存储器管理的重要性：操作系统最主要功能之一； （早期）容量有限，价格昂贵； （现今）主存容量仍为计算机资源中最关键、最紧张的“瓶颈”资源。 二、主存储器管理技术的分类： 实存储器管理； 虚拟存储器管理。,8.1.1 主存储器的物理组织、多级存储器 一、主存储器的结构 1功能：存放内核和用户程序的指令和数据，每一项信息都存放在主存的特定位置上。 2信息按“位”存放。地址-对存放信息的位置的编号。字节-计算机存储器的编址单位，每个字节由8位组成。字-若干字节组成。,二、多级存储组织,8.1.2 主存储器管理功能 一、主存分配 1要求：使多个程序同时驻留

2、在主存中，以提高CPU利用率。保证系统的高性能-提高存储利用率；提高主存的分配与释放速度。 2内容：主存空间的分配与释放。 3方法：主存空间分配表-记录主存空间分配情况；空闲区(自由区)-记录尚未占用的空间；有请求-查表-足够，分配，标志“已分配”；不够，等待分配.。,二、地址转换和重定位 1要求：程序不需事先约定存放位置，并且可以在执行过程中移动（浮动）；可以运行只装入了一部分的程序，缩短程序的启动时间；研究和使用各种有效的地址转换技术以及相应的地址转换机构。 2内容：逻辑地址 转换 绝对地址用户程序 存贮管理 CPU执行 装入用户程序的一部分，其余暂留磁盘，以覆盖技术，再装入。,三、存储保

3、护和主存共享 1要求：保护各存储区中信息不被破坏和偷窃。 2内容：主存空间的共享和保护。 3措施：程序执行只能访问自己的区域，可读、可写；对共享区域的信息只可读，不可修改；不允许访问非自己、非共享区，不可读，不可写。 四、存储扩充 1要求：运行的程序应不受主存大小的限制，理想情况下应能运行任意大小的程序。 2内容：虚拟存储器-逻辑上扩充主存空间。当 用户程序逻辑地址空间主存绝对地址空间,8.2 固定分区 一、固定分区 1定义：把主存分成若干个固定大小的存储区（又称存储块）；每个存储区分给某一个作业使用，直到该作业完成后把该存储区归还系统。 2分类：单道作业； 多道作业。 二、单道作业固定分区技

4、术 1方法：用户区作为一个连续的分区，分配给一个作业使用。,2存储保护界限RegCPU内当前可供用户使用的主存区域的起始地址内容一般不变，只有修改操作系统功能时，才可改变。 3作业装入 作业地址用户区：直接装入。 作业地址空间用户区：覆盖技术。 三、多道作业的固定分区技术,1特点：把分配的用户区预先划分成若干个连续区，每个区大小可相同或不相同。一旦分区完毕，分区的个数固定，各分区的大小固定。 2分配：一个作业分给一个足够大的主存分区，主存分区的大小作业大小；不允许两个作业同时放于同一个分区中。 3问题：剩下的空闲部分（存储碎片）无法使用，降低了主存的利用率。 4存储分块表：存储器管理的数据基。

5、,5存储保护 （1）方法：使用一对“界地址寄存器”。 （2）过程： 作业 操作系统：分配主存空间调入 主存， 登记作业的信息入作业表作业调度程序 该作业（或进程） 操作系统：读主存中的作业表（PCB）被分配给CPU， 作业的大小 进程调度程序 作业在主存起始地址, 访问主存时，核对地址，合法，允许访问； 否则:产生一个“地址”越界中断，由系统处理。 四、固定分区中的重定位方法-静态重定位。,8.3.1 可变分区存储管理的概念 一、可变分区 1特点：在作业进入主存时，按该作业的大小建立分区。分区个数可变，每个分区大小不固定。 2方法：,二、可变分区存储管理中数据基的组织方法 1存储分块表 （1）

6、方法：同固定分区。 （2）缺点： 由于分区个数是变化的，所以表长不好确定，造表格管理困难。 分配主存时，查找速度慢。 2分开设置两个存储管理表 （1）方法：已使用分区表（记为UBT）-登记和管理系统中的已分配的分区。空闲分区表（记为FBT）-登记、管理系统中的空闲分区。,（2）好处：减少查表长度，提高查找速度。 3空闲存储块链 （1）方法：用“链指针”将空闲分区链结在一起，构成一条空闲存储块链。 （2）例：每个空闲存储块的起始的若干个字节分为两部分：前一部分作为链指针，指向下一空闲存储块的起始地址；后一部分指出本空闲存储块的大小。系统用一固定单元-空闲存储链的头指针；指出该链中的第一块空闲存储

7、块的起始地址。,最后一块空闲存储块的链指针中放着链尾标志（如0）。,（3）好处：管理和维护比较简单。,8.3.2 存储分配算法 一、最先适应法 1方法：顺序查找到第一个满足作业长度的空闲区，分割。 2优点：简单、查找时间短 3缺点：把大空间分为许多小区一碎片(主存空间利用率降低) 4改进：空闲区表按地址顺序从小大登记；利用低地址部分，高地址部分保持较大空闲；收回时需调整空闲区表，按地址顺序插入 二、最佳适应法 1方法：按作业要求挑选一个最小空闲区（空闲区表按长度登记） 2优点：不分割更大的区域，便于装入；使分区内未用部分浪费的最少。 3缺点：分割区的极小空闲区无法利用；收回分区，需调整空闲区表

8、。 三、最坏适应法 1方法：挑选最大空闲区，使分割后的剩余空间不太小；空闲区表按长度顺序排列，第一空闲区最大；收回分区，需调整空闲表 2好处：可用于可变分区分配技术。 四、问题 1合并相邻分区-各空闲分区按起始地址顺序排列。 2空闲分区表目的多少-多：浪费主存空间；少：使进程因等待表目而阻塞，降低系统性能。 3使用空闲存储块链法：按块的大小或地址次序来对链上分区排序。优点：对空闲分区管理不占用主存。,8.3.3 存储器的紧缩和程序的浮动 一、碎片问题和存储器的紧缩 1碎片问题 （1）碎片：难以利用的小的空闲分区。 （2）原因：可变分区存储管理方式。 （3）例：（图8.8）作业6：60K；主存空

9、闲分区总和：82K； 每一空闲区大小均小于60K； 作业6无法进入主存运行。-降低了多道程度； 主存空间的大量浪费。 2碎片问题解决 （1）将程序分成几个部分装入不同的分区中- 改变碎片问题； 程序管理、执行复杂。 （2）将小的碎片集中起来-小的碎片集中为大的分区； 移动用户程序到主存的一端（存储器的“紧缩”/“澄清”）。 二、程序浮动 1程序浮动：移动主存中的用户程序，进行主存的压缩。 2问题：移动后的程序能否执行。 3需要解决的问题： （1）重定位工作由谁来做？ （2）怎样保证移动后，可从程序的断点开始继续运行。,8.3.4 动态重定位的可变分区多管理 一、动态重定位 1定义：在程序执行的

10、过程中，进行相对地址到主存绝对地址的转换（地址映象）。-在每次访问主存单元前，进行地址转换。 2例：（图8.9）,二、动态重定位的硬件支持、软件算法 1硬件：定位寄存器；加法器。一对界地址寄存器。 2软件算法 （1）在某个分区被释放后立即进行紧缩-系统中总是只有一个连续的空闲分区。空闲分区表管理、分配空闲块非常容易；占用机时。 （2）当“请求分配模块”找不到足够大的空闲分区分给用户时再进行紧缩。 紧缩次数少；空闲分区表管理复杂。. 存储分配算法框图（图8.10）。. 优点：消除碎片，有效利用主存空间；提高多道程序系统的多道程度，提高了CPU和外设的利用率。. 缺点：需要动态重定位硬件机构支持，

11、提高了成本，降低了速度； 紧缩工作要占用机时。,8.4 多重分区（多对界地址）管理 一、单对界地址管理技术 1定义：每个用户占据主存的一个分区；存储保护只需使用一对界地址寄存器。 2弊病： （1）解决碎片问题，要移动程序进行存储器“紧缩”，需要硬件支持。 （2）进程间共享数据不方便。 二、多重分区技术 1定义：系统中设置了多对（34对）界地址寄存器；为作业分配主存时，可按界地址Reg对的个数为其分配多个不相邻接的空闲分区。 2好处：改善碎片情况，又便于共享。 3注意：多重分区的多重程度不宜过多，否则会增加管理的复杂性。,8.5 简单分页 . 分区存储管理技术的主要缺点：主存使用的低效率和存储分

12、配与释放的低速度。 一、分页存储管理技术中的基本作法 1等分主存 （1）页架：主存划分成相同大小的存储块。 （2）页架号：各页架从0开始依次连续编号-0，1，2。 2用户逻辑地址空间的分页 （1）页：用户的逻辑地址空间划分成与页架大小相同的若干部分。 （2）页号：各页从零开始依次连续编号-0，1，2。,3逻辑地址的表示 （1）相对地址：用户的逻辑地址，一般从基地址“0”开始编址。 （2）分页系统中，相对地址表示：（p，d）。（虚地址） 页内地址页号 若给定一个虚地址A，页面大小为L。则：例： L=1000B； 则，第0页： 0999；第1页：10001999。 设：A=3456；则：p=3，d

13、=456； 故：A=3456 表示为(3，456)。 二、主存分配原则 . 原则：系统以页架为单位把主存分给进程；分给一个进程的各页架可以是不相邻/连续的。 . 页面与页架对应。 . 一个作业的相邻的连续的几个页面，被装入主存中任一不相邻的页架中。 1页表 （1）作用：指出每个进程的各页放在主存的哪些页架中。每个进程有一个页表。,（2）例：（图8.11）2分页系统中的地址结构该地址场有两部分：该地址所在页面的页号；页内地址,3页面尺寸应是2的幂编址：mbit(0一m-1)页内地址n 块(页)长2n字节页号m-n页数2m-n个 例：逻辑地址为16位，页的大小为1KB(1024byte)； 则，逻

14、辑地址4101的页内地址：1K=1024=210，n=10（90位）；m-n=6； 而：逻辑地址4101=212+22+20表示为0001000000000101B。 所以：4101(4，5)。,三、地址转换过程 1从逻辑地址左边抽取页号。 2以页号为索引查页表，找出该页存放的主存页架号。 3由页架号取代逻辑地址的左边（页号）部分，与页内地址合并为物理地址， 访问主存。即：物理地址结构- 四、简单分页的优点 1基本没有页内碎片； 没有不可再用的页外碎片，所以主存利用率高。 2分配、释放存储块速度快。 3管理简单（同固定分区）。,86 简单分段 一、问题 分区页式存储管理，逻辑地址连续，用户编制

15、大型程序、程序共享不方便。 希望：用户程序可分为若干段，每一段独立编程(编址)。 二、进程的逻辑地址空间 1要求：每个进程的地址空间按照程序自身的自然逻辑关系若干段；每个段有自己的段名（段名通常由程序员给出）。 2段号：系统为方便管理，给每段规定的编号（内部段名）。 3段内地址：每个段的地址空间都从“”地址开始编址成连续的线性地址。 4虚拟地址结构：段名s、段内地址w。5特点：每段逻辑地址从“0”开始，一段内地址是连续的； 段与段间的地址是不连续的。,三、程序的地址结构 1指令的地址场的结构：2例：指令的地址24位； 段号长8位，段内地址长16位；则：最多的段数为28256个段，最大段长为21

16、664KB。 四、主存分配 1主存分配以段为单位。 2每段分配一块连续的主存分区。 3一个进程的各段所分到的主存分区可以是不相邻/连续的分区。 五、段表 1段表由操作系统建立内容：分段长度 在主存的起始位置 限长 始址,2例：,六、段的地址转换 1从逻辑地址中提取段号。 2以段号为索引，查段表。 3将段内地址与段的长度比较：若段内地址段的长度，则引起非法访问中断（越界访问）。若段内地址段的长度，合法访问。 4物理地址段的起始地址段内地址 七、简单分段的优点：没有段内碎片，只有外部碎片。 八、简单分页与简单分段的区别 1简单分页：对用户是不可见的。 2简单分段：用户是可见的；分段需要用户提供支持；用户需要知道系统的最大段长度的限制。,