《操作系统》课件(五)页式存储管理.ppt

第四章 存储管理,页式存储管理 页式虚拟存储技术 段式存储管理,分区存储管理的缺点,“碎片”问题 原因：作业要求连续的存储空间。 解决办法：允许作业占据不连续的空间。,基本原理,“等分”内存。 把内存划分为大小相同的“块”。 把用户作业空间划分为大小相同的“页”。 页和块的大小相同。 在把作业加载到内存时，页和页之间不再连续。 但页内连续。 也不必把所有的页都一次性加载内存，只需要加载那些马上要用到的页。其余的页在需要时再加载。,地址变换,逻辑地址：页号+页内地址 如何转变为内存物理地址？ 考虑：物理地址=块号*块长度+块内地址 块长度一定，块内地地址与页内地址相同。 问题变为：如何根据页号得到块号？ 页表：,页号,页内地址,页表,地址变换过程,1、根据页号查页表，得到块号。 2、根据块号和页内地址计算物理地址。 3、例题：,例题：在分页存储管理系统中，用户编程空间共32个页，每页大小为1024B，内存为16KB。假定某一时刻用户页表如下，若逻辑地址为035E（H），求其所对应的物理地址。 页号 物理块号 0 5 1 10 2 3 3 7 分析：（1）根据题意，页内地址为10位，页号为5位。 210=1024，25=32 （2）根据给定的逻辑地址得到页号和页内地址。 035E（H）=（0000001101011110）2 从左边数10位为页内地址，剩余为页号。页号为0。 （3）根据页号查页表，得到块号为5。 （4）将块号与块内地址组合为物理地址： 01011101011110=175E（H）,页表的实现快表,从上述地址变换过程可以看出：CPU每取一条指令或数据，都必须经过页表。 因此，页表的每一个表项都是一个动态重定位机构。 如何实现页表，将影响系统的效率。 方式： 硬件实现：用寄存器组。但代价太高，特别是内存很大时，是不可能的。 软件实现：将页表放在内存中。每取一条指令，要两次访问内存。,快 表,软硬件结合：将页表中使用最频繁的表项（页表的的一个子集）放在cache中。称为“快表”。 cache也称为“联想寄存器”，它不是根据地址而是根据所存信息的全部特征或部分特征进行存取。在这里为页号。 若要访问的页在cache中，则只需一次访问内存。若不在，则到内存中去找，同时把新的页表表项写入cache。,例题：对于利用快表且页表存于内存的分页系统，假定CPU的一次访问内存时间为1s，访问快表时间忽略不计。如果85%的地址映射可直接通过快表完成，那么进程完成一次内存读写的平均有效时间是多少？ 分析： （1）若直接通过快表完成，则只需一次访问内存。 （2）若不能，则需要两次访问内存。 （3）平均时间=1*85%+2*15%,内 存 分 配,用户需求：需要多少块？ 内存空闲块的管理：位示图。 位示图：在内存中划出一片区域，用一位代表一个块，该位的值表示所代表的块的状态： 0：空闲；1：已分配。,内存分配,块号与字号、字长的关系：系统的字长一定，内存块从0开始编号，则有： 块号=字号*字长+位号 字号=块号/字长 （取整的意思） 位号=块号 MOD 字长,用户作业请求：块数B,扫描位示图，查找为0的位,空闲块数B,N,无法分配,计算块号,建立页表,页式系统的内存保护和共享,保护：在页表上添加一个保护位。在做地址变换时，检查对页面的访问是否合法。 共享：根据地址转换过程可知：如果在不同用户的页表中填上相同的页表表项（块号），就能够访问相同的内存空间。,块号,保护位,5 R,12 WR,5,5,5,用户1 用户2 用户3,5,5,页式虚拟存储技术,虚拟存储器：内存扩充技术，为用户提供一个比实际内存大得多的内存空间。 实现虚拟的三个三个条件； 程序中的哪些页已经加载内存。 当要访问的页不在内存时，如何将其掉如内存？ 若此时内存空间已满，如何选择换出的页？ 页式虚拟的基本原理：加载作业时，只加载那些最活跃的页，其余的页需要时再加载。“请求调页技术”和“预调页技术”。,一、如何知道哪些已在内存,在页表中添加一个标志位（中断位），标志该页是否已在内存： 0：不在 1：在内存 块号 保护位 标志位,当要访问的页不在内存时,发生“缺页中断”。 缺页中断的处理过程： 保存现场 在内存中找到一个空闲块。 从磁盘上找到要调入的页。 读磁盘到内存。 恢复现场。 重新调度运行。,在调入内存时，若内存已满,进行“页面替换”：从内存中选择一个页调出内存，为新调入的页让出空间。 如果替换的不合适，则发生“抖动”或“颠簸”现象：页在内外存之间频繁地调入调出，系统开销很大。 页面替换算法： 先进先出法（FIFO）：将最先调入内存的页调出内存。 最近最少使用算法（LRU：least recently used）。将最近一段时间内没有用过的页调出内存。,页面替换算法,最近最少使用算法（LFU）：最近一段时间内使用次数最少的页调出内存。 为每一个在内存的页设置一个计数器，选择计数器中的值最小的调出。 最优算法（OPT）：把将来一段时间内被使用的可能性最小的页调出内存。 利用预测方法先来预测将来的使用情况。 注意：LRU、LFU之间的区别。,例 题： 有一个分页式虚拟存储管理系统，每个进程在内存有3页数据区、1页程序区，刚开始时数据区为空。现有一个进程有以下访问序列： 1，5，4，1，2，3，2，1，5，4，2，4，3，5，1 若系统采用： （1）最近最少使用（LRU）淘汰算法 （2）先进先出（FIFO）淘汰算法 请计算缺页次数和发生缺页中断后的淘汰页号。 分析： （1）采用FIFO方法： 将内存中的页按进入的先后次序排队，后来的加入队尾，先来的先出去。,（1）FIFO算法 访问队列：1 5 4 1 2 3 2 1 5 4 2 4 3 5 1 1 5 4 4 2 3 3 1 5 4 2 2 3 5 1 内 存 1 5 5 4 2 2 3 1 5 4 4 2 3 5 1 1 5 4 4 2 3 1 5 5 4 2 3 缺页中断 页面替换 1 5 4 2 3 1 5 4 3 答案：缺页中断的次数为12次，页面替换的次序是：1 5 4 2 3 1 5 4 3。,（2）LRU算法： 访问队列：1 5 4 1 2 3 2 1 5 4 2 4 3 5 1 1 5 4 4 2 3 3 3 5 4 2 2 3 5 1 内 存 1 5 5 1 2 2 2 1 5 4 4 2 3 5 1 1 4 1 1 1 2 1 5 5 4 4 3 缺页中断 页面替换 5 4 3 2 1 5 2 4 答案：缺页中断的次数为11次，页面替换的次序是：5 4 3 2 1 5 2 4,工作集模型,虚拟存储技术的理论基础。 局部性原理：进程往往会不均匀地高度局部化地访问内存。 时间局部性：刚刚被访问的页，很可能在不久的将来还要访问。例如：循环；子程序；栈；用户记数和总计的变量等。 空间局部性：某个页面被访问，很可能它相临的页也要被访问。例如：数组遍历；代码程序的执行；等等。 工作集：进程活跃地访问的页面的集合。,工作集模型（续）,工作集存储管理策略力求把活跃程序的工作集保存在内存中。 从上图可以看出：仅当一个进程的全部工作集都在内存时才能运行该作业。,h,W(h),h0,页式存储管理的缺陷,从理论上讲，不同用户共享程序段或数据很简单，只需在不同用户的页表中填上相同的块号，经地址变换后，一定能访问相同的内存空间。 但是，由于页的划分是由系统自动进行的，很可能用户要共享的页分布在不同的页中，给共享和保护造成了麻烦。,段式存储管理,用户程序观点：一个程序由若干程序段组成，每一个段具有相对独立的功能。 段的概念：一个逻辑意义完整的信息单位。一个程序由若干个段组成。各段长度不同。 段式存储管理的原理：作业的地址空间由若干个逻辑分段组成，每个分段有自己的名字，在内存中占据一个连续的区域。但是段和段之间可以是不连续的。 思考：采用什么策略为段分配内存？,地址变换,逻辑地址：段号+段内地址 注意：该逻辑地址是二维地址。 因为段在内存中占据一个连续的区域，如果知道该段在内存中的起始地址，就可以得到物理地址： 物理地址=起始地址+段内地址 段表： 段号 起始地址 长度,地址变换的过程,1、硬件支持：段表基址寄存器和段表长度寄存器。因为段表是保存在内存中的。 2、步骤： （1）检查段号是否：段号段表长度寄存器 若否，则产生“地址越界”中断。 （2）根据段号和段表基址寄存器的值取段表表项，得到段基址和段长度。 （3）判断段内地址是否越界：段内地址段长度。 （4）物理地址=基址+段内地址,段的共享和保护,共享：在不同用户的段表中添入相同的段表表项。 保护：在段表中添加一个保护位。 思 考：为什么段式存储管理比页式存储管理更容易实现共享和保护？,段式和页式的问题和优点,页式：解决了碎片问题。但不便于用户作业的共享和保护。由于用户调入的页可能只用到其中的一部分，因此系统的效率不高。 段式：很好地解决了共享和保护问题，系统效率高；但由于采用可变分区方式为段分配内存，存在碎片问题。,段页式存储管理,也称为“混合式存储管理”，将页式和段式的优点结合起来。 原理：程序先分段，段内再分页。每个段在内存中拥有一个页表。 用户看到的是段，即共享时采用段。 内存管理采用页，因此消除了碎片。,地址变换,逻辑地址：段号+页号+页内地址 段表： 段号 页表起始地址 页表： 页号 块号 注意：每一个段都有一个页表。 硬件支持：段表基址寄存器和段表长度寄存器。,段号,页号,页内地址,本章小结内存管理功能,内存的分配和回收 地址变换 内存共享与保护 虚拟存储器 任何一种管理策略，都需要解决上述问题。 解决上述问题的方法，就是存储管理的内容。,本章小结内存管理技术,单道连续存储管理 分区存储管理 固定分区存储管理 可变分区存储管理 页式存储管理 段式存储管理 段页式存储管理,课 后 练 习,1、在一个分页式虚拟存储管理系统中，每个进程在内存中有3个数据区，2个程序区。现有一进程，其数据的第1、2，3页已装入内存。现有一个访问序列：1、3、4、1、2、5、4、3、2、1、4、3、5、1，已知系统采用最近最少使用（LRU）淘汰算法。请给出缺页次数和发生缺页中断后的淘汰页号。,2、现有一个作业，在段式存储管理的系统中已为其分配了主存并建立了段表，如下所示： 段号 内存起始地址 长度 0 1760 680 1 1000 16