操作系统幻灯片4

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1、1,软件技术基础,电子科技大学通信与信息工程学院 软件技术基础课题组 教师:孟中楼 Email：,2,操作系统内容概要,操作系统的几大基本的管理功能 处理机管理 作业管理 存储器管理 设备管理 文件管理,3,第四章 存储器管理,存储管理的基本概念 连续分配方式 分区存储管理 离散分配方式 分页式 分段式 段页式 虚拟存储器,4,存储管理的基本概念,4.1存储管理的基本概念 存储管理的对象内存 一、内存与外存,大,小,高,低,快,慢,顺序,随机,几百M,几十G,ns级,ms级,5,存储管理的研究课题,二、存储管理的主要研究课题 前提：多道程序在内存 （1）内存的分配和回收 为进程分配足够的内存空

2、间 管理内存分配表；制定分配策略；内存区域的划分方式 （2）内存空间的共享 （3）存贮空间保护 多进程之间不会越界访问 （4）地址变换 （5）主存的“扩充”问题 虚拟内存管理。,6,地址,三、地址变换的基本概念 1）什么是“地址” 地址是以字节为单元的存储器编号 内存空间（绝对空间）与物理地址 整个系统从0开始，即从0号存储单元开始 程序空间（相对空间）与逻辑地址 程序由机器代码组成，以字节为单位 每个程序都从0开始,8,程序空间例：,用UltraEdit打开的debug.exe程序,9,地址变换,2）为什么要进行地址变换 多道程序并发执行： 相对空间到绝对空间的映射 3）如何进行地址变换 重

3、定位 基地址是程序在内存中的定位 逻辑地址转换为物理地址就是地址映射或重定位,逻辑地址,基地址,+,物理地址,0,0,0,0,Memory,10,地址变换,重定位： 静态重定位 装入内存时一次性完成地址变换，运行过程地址不变 优点：无需硬件支持 缺点：不易实现程序共享 动态重定位 动态改变基地址 优点：内存使用灵活、可对内存进行非连续分配 缺点：需要硬件支持，实现较复杂,11,装入和链接,四、程序的装入和链接 从用户源程序到内存中可执行的代码将经历： 编译： 完成用户源程序从高级语言到机器可理解代码的转换 根据任务的需要可能形成若干相对独立的目标模块 链接： 将任务所需的目标模块链接起来，如标

4、准库、系统库 形成一个完整的装入模块 装入： 由系统的装入操作将装入模块装入内存,12,装入,程序的装入 涉及： 放到内存什么地方 如何内存中找到所需的逻辑单元 装入方法的类型： 绝对装入 可重定位装入 动态装入,内存空间的分配,地址空间的映射，地址的变换,13,绝对装入,A、绝对装入方式 装入模块的地址与内存实际地址完全相同 系统装入程序时工作最简单，直接分配，不变换地址 要求： 用户使用绝对地址编程 用户了解程序在内存中的存放位置 用户控制内存使用情况,14,可重定位装入,B、可重定位装入方式 装入模块中使用从0开始的相对地址 装入时 由系统分配内存空间， 并完成装入模块中相对地址变换为绝

5、对地址,逻辑地址,基地址,+,物理地址,装入模块中的相对地址,装入后实际的内存地址,15,装入时的地址变换,MOV ax , 2500,365,0,1000,2500,10000,11000,12500,MOV ax , 2500,365,程序空间,内存空间,0,12500,12500 10000+2500,物理地址,基地址,相对地址,16,动态装入,C、动态装入方式 在具有中级调度的系统中，进程出入内存的次数不只一次 装入模块中使用相对地址，装入时不变换地址，在执行时才完成地址的变换 地址的变换仍利用重定向机制 特点 方便了模块的动态装入，加载 为减少执行时间，需使用特殊的硬件支持,17,内

6、存连续分配,4.2连续分配存储管理方式 特点：为一个用户程序分配一个连续的内存空间 程序空间本来就是连续的 用连续的内存装入连续的程序，减少管理工作的难度,18,单一连续分配,4.2.1单一连续分配 适用于单用户系统 1）基本思想： 内存分为系统区和用户区 用户程序占据整个用户区仅允许一个用户,OS区,用户区,或,OS区,用户区,或,OS区,用户区,OS区,0,系统在低端内存,系统在高端内存,19,单一连续分配算法,2）单一连续分配算法,作业用户区？,给作业分配存贮空间，装入程序,Y,不能分配,N,20,单一连续分配的存储保护,3）单一连续分配的存贮保护 存贮保护： 保护系统区不被用户错误占用

7、 （1）设置界限寄存器： 判别地址是否超界 （2）把CPU工作状态分为“管”态和“目”态 管态：CPU只访问OS区 目态：只访问用户区,21,固定分区分配,4.2.2固定分区分配 适应多用户系统。 1）基本思想 内存分区 每个分区装入一道作业，同时可装入多道作业 对分区进行存贮保护 2）实现方法：分区说明表,分区号,大小,起始地址,状态,1,4K,0000H,未分配,2,8K,4000H,已分配,3,12K,12000H,未分配,相等分区法,不等分区法,22,内零头与外零头,内存分配性能评价的一类重要指标 内零头： 分配给用户但用户没有使用的空间 “多分配的空间” 外零头： 没有分配但无法分配

8、的空间 太小而无法分配，“分不出去的空间” 单一连续分配有较大的内零头 分区分配有小于一个分区的内零头， 如果分区太小就成为外零头,23,动态分区分配,4.2.3动态分区分配（可变分区分配） 引入 固定分区分配会造成大量的内零头 1）基本思想 分配分区时，仅将进程需要的大小分配出去，其余的仍然留在空白内存表里。 空白内存表线性数据结构 索引 链表,24,动态分区分配的实现方法,2）实现方法,（1）分区的数目一定，但大小可变,（2）分区的数目和大小均可变,空白分区说明表,空白分区链表,25,动态分区分配的过程,3）分配过程,选,用户需要 的大小,从空白分区链表中选取适当分区m,m.size u.

9、size minsize,u：用户装入模块 minsize：最小分区,从m中划出u.size大小的分区给用户 m.size = m.size u.size,将分区分配给用户,将分区从链表中 移出,N,Y,可能形成 外零头,存在内零头,分配过程的流程图,27,动态分区分配的算法,4）分配算法（空白分区选择） 从多个目标中选取一个 A、首次适应(First Fit) B、循环首次适应 C、最佳适应 D、最差适应,28,首次适应,A、首次适应 第一次遇到可装入程序的分区就分配的算法 步骤： （1）将空白分区按地址递增顺序链接 （2）从链首开始查找适合的分区 （3）从选中的分区中分出所需的大小，其余部

10、分仍留在空白分区链表里 特点：优先分配内存中低地址部分 优点：简单 缺点：在低地址部分会积累大量外零头,作业1,作业2,作业3,作业4,2,3,4,1,0,0,1,0,2,3,4,1,5,0,在低地址部分会积累大量外零头,30,循环首次适应,B、循环首次适应 在首次适应算法的基础上，均衡利用整个内存空间 实现： 将空白区链表首尾相接形成环形， 每次查找从上一次停留的位置开始 特点 可以均衡利用高址和低址内存 减慢了外零头形成的速度 外零头虽然不集中在低址部分，但未得到有效解决。,31,最佳适应,C、最佳适应(Best Fit) 选取最适合大小的空白分区 空白分区按照分区大小递增排列 遇到的第一

11、个可分配空白分区就分配 特点： 优点：保证总有大分区可分配（排在后面） 缺点： 效率不高，排在前面的分区不断变小，能被分出去的概率也就越来越低 外零头形成速度快,32,X,最差适应,D、最差适应(Worst Fit) 选取分区中最大的一个最不适合的 空白分区按大小递减排列 遇到的第一个可分配的空白分区就分配 特点： 优点：查找效率显著提高，一次就找到 缺点：大作业容纳能力会下降,33,动态分区分配的内存回收,5）内存回收 用户使用完的内存将形成新的空白分区插入到系统空白分区链表中。 如果新回收的分区在空白分区链表中有邻接分区时 实行分区拼接消灭外零头,状态,大小,前一块,状态,大小,后一块,状

12、态,大小,前一块,状态,大小,后一块,状态,大小,前一块,回收区,状态,大小,后一块,34,4.2.4动态重定位分区分配 引入：拼接仅在相邻空白分区之间进行，而散布在内存中的外零头不便拼接。 基本思想紧凑 在系统中搬移作业，将空白分区凑在一起 合并小分区形成大分区 搬移作业需要利用重定位技术，以将搬移后的作业重新定位,大量消灭外零头,动态重定位分区分配,作业1,作业2,作业3,作业4,移动作业,拼接出大分区,35,紧凑,紧凑时机 当回收区找不到与之相邻的空白区时，启动紧凑 随即随拼 当存储分配找不到满足作业需求的空间时，进行紧凑生成一个足够大的分区 按需拚接,36,覆盖与交换,4.3覆盖与交换

13、（自学） 什么是覆盖与交换 两个程序模块使用同一个内存分区 为什么要进行覆盖与交换 节约内存，提高内存利用率 怎样进行覆盖与交换 对换区 换入、换出 相关知识： 挂起 中级调度,内存,磁盘,交换,对换区,37,离散分配,4.4分页存储管理方法 离散分配方式 1）离散分配方式的引入 连续分配方式有大量的内/外零头。 为解决零头问题又要进行拼接等高开销活动 2）什么是离散分配 程序在内存中不一定连续存放 3）怎样离散分配 分配方式的详细纪录空间映射关系 灵活的地址变换方式,38,4.4.1分页存储管理基本思想 1）离散的基础 分页：将程序地址空间分页 分块：将内存空间分块 页/块：几K几十K字节

14、2）离散分配的体现 内存一块可以装入程序一页 连续的多个页不一定装入连续的多个块中 注：系统中页块的大小是不变的。,分页存储管理基本思想,0,1,2,n,用户程序,0,1,2,m,内存,39,分页存储管理,3）离散分配的优点 没有外零头 不受连续空间限制，每块都能分出去 仅有小于一个页面的内零头 程序大小一般不是页大小的整数倍,40,分页存储管理实现的方法,4.4.2分页存储管理的基本方法 解决两个基本问题： 1）如何建立程序空间与主存空间的映射 2）如何进行地址变换 从程序逻辑地址到内存物理地址,0,1,2,m,程序空间 逻辑空间 相对地址,内存空间 物理空间 绝对地址,内存,0,1,2,n

15、,用户程序,0,1,2,n,3,m-2,1,m-1,页表,页号,块号,0,1,2,3,41,分页存储的三种表格,1）建立并管理以下三种表格,（1）作业表（JT） 整个系统一个，记 录作业的页表情况。 （2）页表（PT） 每个进程一个，记录进程的程序页与块的关系 （3）存储分块表（MBT）,JT,PT,42,分页存储的三种表格,（3）存储分块表（MBT） 整个系统一个，记录空白块 N：可用的空白块总数 Fptr：空白块链表表首指针 每个空白块记录了下一个空白块的块号，因此形成了空白块链表,N,Fptr,OS区,作业1,作业5,作业1,2）地址变换机构：实现逻辑地址（相对地址）到物理地址的变换,程序,0,1,2,相对地址,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,分页号,5,分块块号,物理地址,30,100,1000,120,121,122,123,400,401,402,403,4001,4002,MOV bx,1,401,JMP 401,44,分页存储的地址变换机构,逻辑地址,基地址,+,物理地址,相对地址,页号,页内地址,+,块号,块内地址,物理地址寄存器,有效地址寄存器 页号 页内地址,越界？,5,1,1,100,1,100*4 + 1 = 401,设块大小为4,45,分页