计算机操作系统入门　 教学课件 ppt 作者 俞瑛第三章

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1、第7课 存储管理(一) 本次课学习如下知识： 内存管理基本概念 逻辑地址与物理地址 地址重定位 动态装载 动态链接和共享库 覆盖技术 交换,第3章 存储管理 计算机系统的存储设备分为内存储器和外存储器。程序以及程序要访问的数据都必须装入内存才能运行。主存是计算机系统的核心硬件。对存储器的管理是操作系统的另一个重要功能。 本章将介绍如下几个方面的知识： 1内存管理基本概念：逻辑地址和物理地址、地址重定位、动态装载、动态链接和共享库、覆盖技术、交换。 2分区存储管理：固定分区法、动态分区法、分区的分配与回收。 3页式存储管理：基本原理、页表结构、多级分页、共享页。 4分段存放管理：段式管理的硬件实

2、现、保护与共享。 5段页式存储管理。 6虚拟存储管理：请求页式存储管理、页面置换算法。 本章知识的重点内容是，操作系统对内存储器进行管理的几种方法：分区存储管理、页式存储管理、分段存储管理、虚拟存储管理，包括其原理及实现方法。难点知识是：动态分区法的原理和实现，多级分页和共享页的原理和实现方法。,3.1 内存管理的基本概念 程序执行时，CPU根据程序计数器的值，从内存中取出指令。这些指令包括装载和储存到指定内存地址空间等。 3.1.1 逻辑地址与物理地址 内存地址的两种产生方式 符号地址、逻辑地址的概念 绝对地址、物理地址的概念 3.1.2 地址重定位 地址重定位：将逻辑地址变换为内存物理地址

3、的地址。 地址映射：程序的逻辑地址与内存物理地址的对应关系。 静态重定位的含义及其特点： 动态地址重定位的含义及其优点：,动态地址重定位示例如如下图所示。 基地址寄存器的值为15000，则访问634位置的内存映射为15634。 动态重定位过程,3.1.3 动态装载 用户程序装入内存的过程 动态装载的优点 3.1.4 动态链接和共享库 动态链接的概念 动态装载与动态装载的区别 共享库,3.1.5 覆盖技术 覆盖技术的概念及其作用 覆盖技术示例 对于两次编译的编译器，当第一次编译时，产生符号表，而第二次编译时就产生机器语言代码，其所需内存如下： 第一次编译 70K 第二次编译 80K 符号表 20

4、K 执行程序 30K 总内存需要量为200K。如果系统仅有150K内存，那该程序是无法运行的。然而，若定义两个覆盖是可以实现的。如下图所示。,二次编译程序的覆盖 覆盖1：由第一次编译、符号表和执行程序组成。 当第一次编译完成后，将覆盖2装入内存。 覆盖2：包括第二次编译、符号表和执行程序。,3.1.6 交换 交换技术的概念 交换技术的应用 交换技术的代价,小结 本次课应掌握如下知识： 内存管理基本概念 逻辑地址与物理地址 地址重定位 动态装载 覆盖技术 难点知识： 动态链接的概念 交换,第8课 存储管理(二) 本次课学习如下知识： 分区存储管理 分区管理基本原理 固定分区法 动态分区法 分区的

5、分配算法,3.2 分区存储管理 主存通常被分为两个分区： 1系统区 系统区是用于驻留操作系统的，且仅能供操作系统使用。 2用户区 除了系统区以外而用于驻留用户进程的全部内存空间。 3.2.1 分区管理基本原理 分区管理的基本原理 对操作系统的保护措施,3.2.2 固定分区法 固定分区法的划分 固定分区法的实施 分区表 固定分区内存分配,3.2.3 动态分区法 动态分区法的划分 动态分区法的实施 分区表 记录可用内存区的列表 内存碎片 动态分区内存分配,3.2.4 分区的分配算法 分区的分配算法 最先适应法 循环最先适应法 最佳适应法 最差适应法 解决碎片问题的方法,小结 本次课应掌握如下知识：

6、 分区管理的基本原理 固定分区法的划分、固定分区法的实施 动态分区法的划分、动态分区法的实施 分区表、记录可用内存区的列表 内存碎片问题 难点知识： 对操作系统的保护措施 分区的分配算法,第9课 存储管理（三） 本次课学习如下知识： 1页式存储管理 页式存储管理的基本原理 页表结构 多级分页 共享页 2分段式存储管理 分段存储管理的基本原理 段式管理的硬件实现 保护与共享,3.3 页式存储管理 为了解决碎片问题，引入了页式存储管理方法 3.3.1 页式存储管理的基本原理 页面、页、页编号、页内碎片的根概念 页表的概念及其作用 通过页表实现逻辑地址中的页号到物理块号的变换。如下图所示。 逻辑地址

7、到物理地址的变换结构, 系统将CPU产生的逻辑地址自动分为两部分：页号p和页内偏移量d，如下图所示。 页号用于索引页表，页表包含了物理内存中每一页的基地址。 基地址与页面偏移量一起就构成了物理内存地址。 页 号 页位移量,逻辑地址结构 下例说明用户的逻辑地址是如何映射到物理内存的。 有一内存用4字节为一个页面，物理内存为28字节（7页）。 逻辑地址0是页0，页内偏移量为0，从指向页表的索引我们可以找到页0在页面4。因此逻辑地址0映射到物理地址16（4*4）+0），逻辑地址1映射到物理地址20，逻辑地址2映射到物理地址4，因此逻辑地址3映射到物理地址8。如下图所示。,页式存储管理逻辑地址映射 选

8、择合适大小的页面以减少碎片的产生,3.3.2 页表结构 进程的页表 简单页表的实现方法 解决指令执行的速度降低的方法 快表的作用 3.3.3 多级分页 多级分页的概念： 多级分页算法：,请看下例： 有一个32位逻辑地址空间，每页为4K字节（12位）； 用2级分页算法进行分页，其逻辑地址空间为20位的页号和12位的偏移量；其中将页号又进一步分为10位页号，即210个页表项和10位页偏移量，即210个页表分页。此时的逻辑地址结构如下图所示。 两级逻辑地址结构 其中P1是指向一级页表，P2是二级表的页偏移量。 该结构的地址变换方法如下图所示。,二级页表地址变换,3.3.4 共享页 共享页的概念： 共

9、享页的实现： 设有一个系统支持40个用户，而这40个用户同时执行文本编辑程序，如果文本编辑程序有150K代码和50K数据空间，则需要8000K内存以支持40个用户，如果代码是可重入的，则它可以共享，如下图所示。 三个进程共享文体编辑程序,我们来看一下三个用户共享一个文本编辑程序的情况，各用户拥有自己的数据页。在物理内存中，只需要有一个文本编辑程序的拷贝。每个用户的页表都映射到同一个文本编辑的物理拷贝，而它们的数据页则映射到不同的页面上。这样，我们只需要150+50*402150K的内存就能支持40个用户，而不是原来的8000K内存。,3.4 分段存储管理 分段存储管理方式的引入，是为了满足用户

10、的以下要求： 方便用户编写程序 分段共享与保护 动态链接 动态增长,3.4.1分段存储管理的基本原理 分段存储管理的概念： 分段存储管理的实现： 将逻辑地址分成相互独立的段。 每个段都有段名和段的长度、段的起始地址均为0。 段的长度可以不同。 每个段都是一个独立的逻辑实体 段表： 记录了该段在内存中的起始位置和段的长度。,3.4.2段式管理的硬件实现 段式管理的逻辑地址空间设计： 用二维结构表示，即段号和段内偏移量。 实际的物理内存仍然是一维顺序存储。 二维逻辑地址映像为一维的物理地址是由段表实现的。 段表的每一个入口有两个参数 一个是基地址：包含了段在内存中的起始物理地址。 一个是段的范围：

11、指定了段的长度。段表的用途如下图。 段式存储管理硬件实现, 逻辑地址包含两部分：段号s和段内偏移量d。 如：一个有4个段的程序，段号从0-3，段在物理内存中的情形如下表所示。 段式存储管理内存分配, 逻辑地址与物理地址的变换： 段表中对每一个段都有一个入口地址：起始地址和段的长度TL。 进行地址变换：系统将逻辑地址中的段号s与段表长度进行比较。 若s=TL，表示段号太大，访问越界，于是产生越界中段信号； 若未越界，则根据段表的始址和该段的段号，计算出该段表项的位置；检查段内地址d是否超过该段的段长SL。 若超过，即d=SL，同样会发出越界中断信号； 若未越界，将该段的基址d与段内地址相加，得到

12、要访问的内存物理地址。 减少存取数据的时间的方法： 3.4.3保护与共享 段的保护有两种： 存取控制保护； 地址越界保护。 代码和数据的共享：,小结 本次课应掌握如下知识： 页式存储管理的基本原理 页表结构 多级分页 分段存储管理的基本原理 难点知识： 共享页 段式管理的硬件实现 保护与共享,第10课 存储管理（四） 本次课学习如下内容： 1段页式存储管理 2虚拟存储管理 基本概念 请求页式存储管理 页面置换算法,3.5 段页式存储管理 页式管理方法和段式存储管理的优缺点： 有利于段的动态增长以及共享和内存保护。 分页系统则有效地克服了碎片问题，提高了存储器的利用率。 段页式存储管理的概念：

13、将两者结合成既具有分段系统的优点（便于实现、分段、共享、易于保护、可动态链接等）； 又具有分页系统的优点（解决内存的外部碎片、为各个分段进行离散地分配内存等）。 段页式的存储管理结构：, 基本原理： 首先将用户程序分为若干的段，再把每个段划分成若干页。 段的逻辑地址由选择符和位移量组成。 由段的逻辑地址转换成物理地址的过程： 首先根据段的选择符从内部寄存器中找出与之对应的完整的描述符； 然后它检查偏移量是否有效，即是否在段的范围之内； 386的二级分页模式： 在线性地址中，共分为三个域：目录、页和偏移量。目录域作为索引在页目录中找到指向正确的页表的指针；页则作为索引在页表中找到页面的物理地址；

14、最后，将偏移量加到页面的地址上就会得到所需要的物理地址。 每个页表项是32位，其中20位的页号和12位页偏移量，页号又分为10位页目录指针和10位页表指针。其地址变换过程如下图所示。,段页式逻辑地址变换,3.6 虚拟存储管理 前面介绍的各种存储管理方法的问题： 虚拟存储技术问题的提出： 3.6.1基本概念 大程序与小内存的矛盾： 程序运行过程中呈现出的局部性规律： 覆盖技术的概念： 虚拟存储管理的好处： 使程序员编写任意大的程序，而不需要考虑实际物理内存的大小。 每一个用户都只将小部分程序装入内存。 程序的运行时，只需较少的用户程序在内存与外存间交换或装载。 3.6.2请求页式存储管理 请求页

15、式存储管理的概念： 请求页式管理的地址变换： 通过虚页号所对应的页面号与位移量相加而得到实际的物理内存地址。, 系统对页表进行了扩充，即增加一位来描述这种情形。如下图所示。,带有效位的页表 当这一位设为Valid 时，表明该页正在内存并可用。 当这一位设为Invalid时，表明该页是不可用或该页是可用的，但该页当前在磁盘上，不在内存上。 如果系统要访问的页不在内存时，它便产生一个缺页中断，请求操作系统将所缺之页从磁盘中调入内存，如果此时内存没有空闲，则要采用一种算法，选择一个被淘汰的页面并将其写回到磁盘上。 下面讨论如何选择所要淘汰的页面这一问题。,3.6.3页面置换算法 采用虚拟存储管理技术带来的好处： 影响计算机系统运行效率的因素： 发生缺页时，操作系统如何解决： 终止一个进程；换出一个进程。 页面置换算法的概念： FIFO页面置换算法： 选择的是最老的一页，也就是在内存中驻留时间最长的一页予以淘汰。 FIFO算法的缺点。 最优页面置换算法： 最优页面置换算法的基本思想： 最优页面置换算法的的优缺点： 最近最少使用的页面置换算法 最近最少使用页面置换算法的基本思想： 访问计数器的作用：,小结 本次课应掌握