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1、第七章 实存储管理技术,存储器是重要的计算机资源，内存管理是操作系统的主要功能之一。 内存容量是计算机硬件资源中关键而又最紧张的，特别在多道程序设计出现后，要求内存能得到充分有效的利用，为用户提供安全方便的使用环境，这都是操作系统的内存管理要解决的问题。,第七章 实存储管理技术,教学目标： 1、熟悉存储管理的基本概念和分类 2、了解连续存储的方法和特点 3、掌握分页存储的原理 4、掌握分段存储的原理 5、掌握段页存储的原理,第七章 实存储管理技术,主要内容： 7.1 存储管理的基本概念 7.2 连续分配存储管理方式 7.3 离散分配存储管理方式,7.1 存储管理的基本概念,存储体系 :一个速度
2、由快到慢,容量由小到大的存储层次. 快速缓存：cache 内存：DRAM, SDRAM等； 外存：软盘、硬盘、光盘、磁带等；,7.1.1 存储管理要解决的问题,存储分配：当用户需要内存时,系统为之分配相应的存储空间；不需要时，及时回收，以供其它用户使用。地址映射：从逻辑地址到物理地址的变换,7.1.1 存储管理要解决的问题,存储保护：确保多道程序都在各自分配到存储区域内操作，互不干扰，防止一道程序破坏其它作业或系统文件的信息。内存扩充：为用户提供比主存物理空间大得多的地址空间，以至使用户感觉他的作业是在这样一个大的存储器中运行,7.1.3 地址重定位,1、地址空间和存储空间 名字空间：程序中由
3、符号名组成的空间，没有地址的概念，由程序员自定义,7.1.3 地址重定位, 逻辑地址（相对地址，虚地址） ：用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码通常采用相对地址的形式，其首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址而编址。不能用逻辑地址在内存中读取信息 地址空间（相对地址空间）逻辑地址的集合,7.1.3 地址重定位, 物理地址（绝对地址，实地址）内存中存储单元的地址，可直接寻址 存储空间（绝对地址空间，物理地址空间）内存中物理地址的集合,名空间、地址空间、存储空间,2、静态重定位和动态重定位,地址映射（地址重定位）把逻辑地址转换为相应的物理地址的过程。,2、静态重定位和动态重定位,1
4、）静态重定位：,静态重定位,静态重定位,在程序执行之前进行重定位，根据装配模块将要装入的内存起始地址，直接修改装配模块中的有关地址的指令。当用户程序被装入内存时，一次性实现逻辑地址到物理地址的转换，以后不再转换（一般在装入内存时由软件完成）。,2、静态重定位和动态重定位,优点： 容易实现，不需要硬件支持。 缺点： 程序在重定位之后就不能在内存中移动了，因而不能重新分配内存，不利于内存的有效利用 要求程序的存储空间必须连续 不利于内存的共享,2、静态重定位和动态重定位,2）动态重定位：程序执行期间，每次存储访问之前进行重定位。需要硬件的支持，即重定位寄存器，重定位装入内存区的起始地址，重定位时，
5、对每一个有效地址都要加上重定位寄存器中的内容，形成绝对地址。,装入,10000,+,重定位寄存器,优点： 程序执行过程中，用户程序可以再内存中移动，有利于内存的充分利用 程序不必连续存放在内存中，可以离散存放。 若干个用户可以共享一个程序 缺点： 需要附加的硬件支持,7.2 连续分配存储管理方式,7.2.1 单一连续分配方式这是最简单的一种存储管理方式，但只能用于单用户、单任务的操作系统中。采用这种存储管理方式时，可把内存分为系统区和用户区两部分，系统区仅提供给OS使用，通常是放在内存的低址部分；用户区是指除系统区以外的全部内存空间， 提供给用户使用。 只能用于单用户、单任务的OS中。 软件简
6、单，硬件要求低,MS/DOS,7.2.1 单一连续分配方式,7.2.1 单一连续分配方式,优点：方法简单，易于实现缺点：不支持多道。主存利用率不高。程序的运行受主存容量限制,7.2.2 固定分区存储管理方式,分区式管理是满足多道程序的最简单的存储管理方案。它的基本思想是将内存划分成若干个连续区域，称为分区。每个分区只能存储一个程序，而且程序也只能在它所驻留的分区中运行。,7.2.2 固定分区存储管理方式,固定分区算法原理：把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition)，每个应用进程占用一个或几个分区。操作系统占用其中一个分区。每个分区的大小可以不同，但是事先必须固定，在系统运行时不能
7、改变。在每个分区内装入一个进程，允许几道作业并发执行。当有空闲分区时，可从外存中的后备队列中选择一个适当大小的作业装入该分区。,7.2.2 固定分区存储管理方式,1、分区划分方法分区大小相等分区大小不等 2、分区说明表包含：大小始址状态,7.2.2 固定分区存储管理方式,3、内存分配当有用户程序需要装入，由内存分配程序检索分区说明表，按照一定算法找出一个能满足要求的，尚未使用的分区分配给该程序，同时修改分区说明表中该表项的状态。如果没有足够的空间，则拒绝分配内存。,7.2.2 固定分区存储管理方式,7.2.2 固定分区存储管理方式,特点：适用于多道程序系统和分时系统问题：可能存在碎片,“零头”
8、 碎片,7.2.3 可变分区存储管理方式,内存不是预先划分好的，而是当作业装入时，根据作业的需求和内存空间的使用情况来决定是否分配。若有足够的空间，则按需要分割一部分分区给该进程；否则令其等待主存空间。 分区的大小和个数都是可变的，根据作业的大小和数量动态的划分。,7.2.3 可变分区存储管理方式,1、分区分配中使用的数据结构 （1）分区说明表：类似于固定分区中的分区说明表结构。（2）分别设置两个表格，一个是空闲分区表FBT，一个是已使用分区表OUT，分别来登记系统中的空闲分区和已使用分区。,0K,15K,38K,48K,68K,80K,110K,120K,空闲区表,已分配区表,0K,15K,
9、38K,48K,68K,80K,110K,120K,空闲区表,已分配区表,85K,98K,7.2.3 可变分区存储管理方式,（3）空闲分区链,7.2.3 可变分区存储管理方式,Job1,Job2,Job3,Job4,Job5,Job6,Job7,Job7,Job6,7.2.3 可变分区存储管理方式,2、分区的分配算法最先适应分配算法：为作业选择分区时总是按地址从高到低搜索，只要找到可以容纳该作业的空白块，就把该空白块分配给该作业。,Before,After,2、分区的分配算法,循环最先适应分配算法：类似首次适应法每次分区时，总是从上次查找结束的地方开始，找到一个足够大的空白区分配。,After
10、,2、分区的分配算法,最佳适应分配算法： 接到内存申请时，在空闲块表中找到一个不小于请求的最小空块进行分配 为作业选择分区时总是寻找其大小最接近于作业所要求的存储区域。 特点：用最小空间满足要求,After,2、分区的分配算法,最坏适应分配算法 ： 接到内存申请时，在空闲块表中找到一个不小于请求的最大空块进行分配，与最佳适应法相反，它在作业选择存储块时，总是寻找最大的空白区。 特点：当分割后空闲块仍为较大空块,After,最先适应分配算法流程,7.2.3 可变分区存储管理方式,3、分区的回收操作,7.2.3 可变分区存储管理方式,4、存储保护为了防止一个作业有意无意的破坏操作系统或者别的作业，
11、应对分区采取保护措施。,4、存储保护,（1）上、下界存储保护：上、下界保护是一种简单的存储保护技术。系统可为每个作业设置一对上、下界寄存器，分别用来存放当前运行作业在内存空间的上、下边界地址，用它们来限制用户程序的活动范围。 （2）基址限长存储保护：上、下界保护的一个变种是采用基址限长存储保护。,4、存储保护,4、存储保护,（3）保护键法：系统为每个存储块设置一个单独的保护键，相当于一把锁；在作业的程序状态字中设置一个保护键字段，对不同的作业赋予不同的代码，相当于赋予不同的钥匙。,7.2.3 可变分区存储管理方式,5、存储器的紧缩和程序的浮动 目的：解决内存碎片（内零头）问题 解决方法： （1
12、）把作业分成几部分装入到不同的分区中去，也就是不把一个作业作为一个连续的整体存放在内存中。 （2）把内存中的小碎片集中，形成一个大的分区，使之可以装入较大的作业。,5、存储器的紧缩和程序的浮动,5、存储器的紧缩和程序的浮动,把小分区集中成大分区的方法叫做存储器的紧缩。 1）当某个作业一旦完成，立即进行紧缩 2）当某个作业申请一个分区，而内存中没有足够大的空闲分区，但各个空闲空闲分区之和大于作业大小，此时紧缩。,5、存储器的紧缩和程序的浮动,移动程序时应采用动态重定位方法,7.2.3 可变分区存储管理方式,分区管理的主要优点：分区管理是实现多道程序设计的一中简单易行的存储管理技术，内存称为共享资
13、源，有效地利用了处理机和io设备，从而提高了系统的吞吐量和周转时间。关于内存利用率，可变分区比固定分区高，此外分区管理算法简单，实现分区分批所采用的表格也不多，实现起来比较容易，内存额外开销较少。存储保护措施简单。,7.2.3 可变分区存储管理方式,主要缺点：内存使用不充分，存在严重的碎片问题，虽然采用拼接技术可以解决碎片问题，但需要移动大量信息量费了许多处理时机。此外，分区管理不能为用户提供虚存，不能对内存进行扩充，每个用户作业的存储要求仍然受到时机存储容量的限制。,7.3 离散分配存储管理方式,分区存储管理方案的一个特性是连续性，系统对每个程序分配连续的内存区，如果内存空间中没有能够满足要
14、求的连续分区，即使可用内存空间的总容量大于进程需要量，系统也不能分配。这种连续性导致了内存碎片问题，降低了内存资源的利用率，而拼接碎片又要花费大量的cpu时间。离散分配管理就是为了打破存储分配的连续性，使得一个程序的逻辑地址空间可以分步在若干离散的内存块上。,7.3.1 分页存储管理方式,1、 分页存储管理的基本概念（1）页面和物理块 页面：一个进程的逻辑地址被分成若干个区域，称为页或页面，给各页从零开始依次编以连续的页号0，1，2，3。 块：存储空间也被划分为与页大小相等的若干存储块，称为物理块或页架，同样编号为0，1，2，,页面和物理块,1、 分页存储管理的基本概念,（2）逻辑地址的表示：
15、（p,d） p：页号，d：页内地址对某特定机器，其地址结构是一定的。若给定一个逻辑地址空间中的地址为A，页面的大小为L，则页号P和页内地址d可按下式求得：,1、 分页存储管理的基本概念,（3）分页系统中的地址结构（p，d）数对在机器指令中的表示方法如下：假定地址长度32位，页面大小2k，则页内地址占11位，0到10位,11位到31位表示页号，也就是地址空间最多有2M页。,1、 分页存储管理的基本概念,（4）内存分配原则以物理块为单位把内存分配给进程，并且分给一个进程的各个物理快不一定是相邻的和连续的，实现离散存储。,2、页表（PMT）系统将进程的每一页离散的分配到内存的多个物理块中，应该能保证
16、进程的正确运行。每个进程都有一个页面映射表，简称页表包含 页号：进程各页的序号物理块号：进程页装入内存的物理块号,7.3.1 分页存储管理方式,页表,2、页表（PMT）,每个页在页表中占一个表项，记录该页在内存中的物理块号。页表的作用是实现从号到物理块的地址映射，同时还会设置一个存储控制字段，实现对物理块中内容的保护和共享。存贮控制字段可规定一个物理块为读/写、只读和只执行等存取方式。,3、页面大小的选择分页系统中的页面大小是由机器的地址结构决定的，也就是由硬件决定。页面大小要选择适中，通常都是2的幂。,例：页面大小为1k,虚地址为3BAD，分析一下页号和页内地址页面大小2K，虚地址为3BAD，分析一下页号和页内地址,4、分页系统中的地址转换页内地址和块内地址是一一对应的，因此地址转换主要完成页号到内存中物理块号的转换。,（1）直接映像的页地址转换,（2） 相关映像的页地址转换,
