计算机软件技术基础-课件 14ch7-OS

第二部分操作系统第5章操作系统概论第6章处理器管理第7章存储器管理第8章设备管理第9章文件管理第7章存储器管理学习目标:1.掌握三级存储器结构：高速缓存、内存、外存。2.掌握存储器管理的功能：内存分配、地址映射、内存保护、内存扩充。3.掌握以下概念：逻辑地址、物理地址、可重定位地址、重定位、碎片、虚拟存储器。4.掌握分页存储管理技术的实现思想，如何实现从逻辑地址到物理地址的转换。5.了解虚拟存储器的基本特征：虚拟扩充、部分装入、离散分配、多次对换。6.了解分段存储管理技术的实现思想。存储器管理学习内容：

7.1存储管理的功能

7.2基本存储管理技术

7.3分页存储管理

*7.4分段存储管理

*7.5段页式存储管理

7.1存储管理的功能7.1.1存储器的层次7.1.2逻辑地址和物理地址7.1.3存储管理的功能7.1.1存储器的层次存储器的层次结构如下:CPU不能直接去存取外存上的信息，但内存和外存之间可以相互传递信息。寄存器：位于CPU中，访问速度最快、价格最昂贵高速缓存器：硬件寄存器构成，速度快内存/主存:CPU能直接存取指令和数据的存储器。外存或辅存:磁盘、磁带等存储器。7.1.2逻辑地址和物理地址

源程序是用高级语言或汇编语言编写的程序。从用户的源程序进入系统到相应程序在机器上运行，要经历一系列步骤，主要处理阶段有： 编辑、编译、连接、装入、运行。如下图：

7.1.2逻辑地址和物理地址装入阶段：逻辑地址： 用户程序经编译后的每个目标模块都是以0为基地址顺序编址，这种地址称为相对地址或逻辑地址。物理地址（绝对地址）： 内存中每个物理存储单元的地址。重定位： 用户程序和数据装入内存时需要对目标模块中的地址进行修改。这种把逻辑地址转变为内存中物理地址的过程叫地址重定位（地址映射/地址转换）。7.1.3存储管理的功能★存储管理的目的： 既要有利于内存的充分利用，又要方便用户的使用。一.存储器管理的功能：1）内存分配任何进程要在CPU上执行，都必须首先装入内存，需要一定数量的存储单元用以存放程序和数据。存储管理程序应采用一定的方法，把内存划分为若干部分，在收到请求后，为进程分配内存空间。进程运行结束时，存储管理程序应将其所占用的内存空间收回。7.1.3存储器的管理的功能★1）内存分配：分为两种方式：（1）静态存储分配：在作业各目标模块连接后，把整个作业一次性全部装入内存，并在作业的整个运行过程中，不允许作业再申请其他内存，或在内存中移动位置。内存分配是在作业运行前一次性完成的。（2）动态存储分配：作业要求的基本内存空间是在目标模块装入内存时分配的，但在作业运行过程中，允许作业申请附加的内存空间，或是在内存中移动。分配工作可以在作业运行前及运行过程中逐步完成。存储器管理的功能2)地址转换(地址映射)：配合硬件做好地址转换工作，把一组逻辑地址空间转换成绝对地址空间，以保证处理器的正确执行。

将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主存中的物理地址的过程，称为地址映射，又称地址重定位。主存空间…作业1地址空间01n-1…作业2地址空间01n-1…01m-1作业1作业2500830存储器管理的功能2)地址转换(地址映射)：有两种方式(1)静态映射 静态重定位，在目标模块装入内存时，由重定位装入程序对目标程序中的指令和数据的地址进行修改，即把程序的逻辑地址都改成实际的内存地址。（优点：无需硬件支持，易于实现；缺点：不允许程序在执行过程中移动位置）(2)动态映射 动态地址重定位是在程序执行过程中，在CPU访问内存之前,实时地将要访问的程序或数据地址转换成内存地址。动态重定位依靠硬件地址变换机构完成。（优点：程序在运行期间可以换出/换进内存；也可在内存中移动，充分利用内存碎片。）存储器管理的功能3)内存保护(共享与保护)：共享：两个或多个进程共用内存中的相同区域。在多道程序设计的系统中，同时进入主存储器执行的作业可能要调用相同的程序。保护： 由于各个用户程序和操作系统同在内存，因而要求对内存中的程序和数据进行保护。防止地址越界；防止操作越权；存储器管理的功能4)内存扩充内存速度快但容量小；外存容量大但速度慢。存储扩充技术采用软件手段，扬长避短，将内存空间和外存空间有机结合在一起，形成一个容量相当于外存储器而速度接近于内存的虚拟存储空间。内存扩充可以使用户程序得到比实际内存容量大得多的“内存”空间，从而极大地方便了用户。虚拟存储空间，虚拟存储技术。

7.2基本存储管理技术三种基本的存储管理技术：分区法、可重定位分区法和对换技术

一.分区法在这种方式下，把内存划分成若干分区，每个分区可容纳一个作业。用硬件措施保证各个作业互不干扰。固定分区法动态（可变）分区法。存储管理基本技术：分区法1.固定分区法----分区的个数固定不变、各分区的大小也不变，但不同分区的大小可不同。当某一作业要调入内存时，存储管理程序根据它的大小，找出一个适当的分区分配给它。如果当时没有足够大的分区能容纳该作业时，则通知作业调度程序挑选另一作业。优点：管理方式简单。缺点：内存空间利用率不高。存储管理基本技术：分区法2.动态分区法----在作业将要装入内存时，按作业的大小来划分分区。

根据作业需要的内存量查看内存是否有足够大的内存空闲区；若有，则按需要建立一个分区分配给该作业；若无，则令该作业等待。由于分区的大小是按装入作业的实际需要量来定的，所以克服了固定分区的缺点，提高了内存的利用率。存储管理基本技术2.动态分区法:—在作业将要装入内存时，按作业的大小来划分分区。

动态分区法示例缺点：会产生“碎片”存储管理基本技术：

二.可重定位分区分配法

背景：在（固定/动态)分区法中，必须把一个系统程序或用户程序装入到一个连续的内存空间中。虽然动态分区法比固定分区法的内存利用率要高，但由于各作业申请和释放内存的结果，在内存中经常可能出现大量的分散的小空闲区。内存中这种容量太小、无法被利用的小分区被称为“碎片”或“零头”。为解决碎片问题，采用紧缩技术。紧缩技术：移动某些已分配的内容，使作业的分区紧挨在一起。采用动态重定位技术可解决这个问题。存储管理基本技术：

三.对换技术

对换技术：把内存中暂时不能运行的进程换出到外存上，腾出内存空间。把具备运行条件的进程从外存换到内存中，来利用外存解决内存不足的问题（也可以用于批处理系统中，以平衡系统负载）。7.3分页存储管理7.3.1虚拟存储管理7.3.2分页存储管理的基本原理7.3.3请求分页存储管理7.3.1虚拟存储管理什么是虚拟存储器？

虚拟存储器是一种存储管理技术，它可以实现用小内存执行存储在大虚拟空间中的程序。是由操作系统提供的一个假想的特大存储器。基本思想：是把有限的内存空间与大容量的外存统一管理起来，构成一个远大于实际内存的、虚拟的存储器。虚拟存储器的基本特征：

1.虚拟扩充。 虚拟存储器不是物理上扩充内存空间，而是逻辑上扩充了内存容量。2.部分装入。 每个作业不是全部一次的装入内存，而是分成若干部分。3.离散分配。 一个作业分成多个部分，没有全部装入内存。即使装入内存的那些部分也不必占用连续的内存空间，而是“见缝插针”。4.多次对换。 在一个进程运行期间，它所需的全部程序和数据就要分成多次调入内存。虚拟存储器的基本特征：注意：但是，虚拟存储器的容量不是无限大的。它主要受两方面的限制：（1）机器指令中表示地址的长度,如32位的地址字可以构成4GB的虚拟地址空间；（2）外存的容量也是有限的。分页存储管理

7.3.2分页存储管理的基本原理背景：虽然动态分区法比固定分区法的内存利用率要高，但由于各作业申请和释放内存的结果，在内存中经常可能出现碎片。内存碎片问题的解决方法：紧缩技术（可重定位分区分配法）。当内存的连续空闲区域不够存放一道作业时，就得大量移动已在内存中的信息。这不仅不方便，而且大大增加了系统的开销。分页存储管理。允许程序的存储空间不连续，消除了碎片问题的产生原因。分页存储技术示例分页存储技术的基本原理：把内存划分成若干相同大小的存储区域，每个区域称为一个“块”；把用户作业地址空间也按同样大小分成若干“页”；系统以块为单位把内存分配给各作业的各个页，每个作业占有的内存块无需连续。1.分页原理（1）逻辑空间分页： 将一个进程的逻辑地址空间划分成若干个大小相等的部分，每一部分称做页面或页。每页都有一个编号，叫做页号，页号从0开始一次编排，如0，1，2……。（2）内存空间分块： 把内存也划分成与页面相同大小的若干个存储块，称做内存块或页框。同样，它们也进行编号，块号从0开始依次顺序排列：0#块，1#块，2#块，……。（3）页面（和块）的大小 是由硬件确定的，它一般选择为2的若干次幂。例如，IBMAS/400规定的页面大小为512字节，而Intel80386的页面大小为4KB（即4096字节）。所以，不同机器中页面大小是有区别的。1.分页原理7.3.2分页存储管理的基本原理作业的逻辑地址表示对于特定机器来说，其地址结构是一定的。计算方法：如果给定的逻辑地址是A,页面的大小为L,则页号p和页内地址d可解下式求得：p=INT[A/L],d=[A]MODL其中，INT是向下整除的函数，MOD是取余函数。例如：A=2500,L=1024，则p=2,d=452页号p页内地址d（页内位移）2.逻辑地址结构7.3.2分页存储管理的基本原理内存分配原则：

在页面情况下，系统以块为单位把内存分给作业或进程，并且一个进程的若干页分别装入物理上不相邻的内存块中。如何实现逻辑地址与物理地址的转换？如何确保程序的正确执行呢？

——页表3.页表7.3.2分页存储管理的基本原理

3.页表在分页系统中，为了保证在连续的逻辑地址空间中的作业能在不连续的物理地址下正确运行，系统为每个程序作业建立一个地址变换表，简称页表。分页系统中的地址映射页表中的每一个表项由两部分组成：页号和该页所对应的物理块号。程序作业的地址空间有多少页，它的页表中就登记多少行，且按逻辑页的顺序排列。页表存放在内存系统区内。7.3.2分页存储管理的基本原理4.基本地址变换结构分页存储管理中的地址变换机构系统设有专用的硬件——页表基址寄存器，存放当前运行进程的页表起始地址（和页表长度），以加快地址转换速度。当CPU访问某一逻辑地址时，分页系统的地址变换机构（硬件）自动把页号与页表长度进行比较，如果合法才进行地址转换，否则产生越界中断。页表始址·页表长度控制寄存器02页号块号LOADL,2500013128123452页表3逻辑地址空间8452物理地址=86442452页号页内地址逻辑地址=2500OSLOADL,2500内存空间12345…01238逻辑地址、主存空间及页表关系

例 设程序的逻辑地址空间划分为1024字节大小的若干页，一个程序作业占用3页（分别对应主存空间的第2、第3和第8块）。要求计算逻辑地址为2500时，对应的主存中物理地址是多少？1、2500=2×1024+452，其中2为页号，1024是页的大小，452是页内偏移量；2、产生物理地址时，系统通过基址寄存器确定页表的起始位置，然后找到页表中页号为2的表项，由此知对应的主存块号为8；3、系统把块号8与页内偏移量拼接在一起，就得到了8644（8*1024+452）这一物理地址。5.具有快表的地址变换机构从地址映射过程中可以看出，共需两次访问内存。第一次访问页表，得到数据的物理地址，第二次才是存取数据，显然增加了访问时间。为了提高存取速度，通常在CPU和主存之间增设具有并行查找能力的高速缓冲存储器，称之为“快表”。快表中存放现行进程页表中最近常用的部分表项，随着进程的推进，快表内容动态更新。5.具有快表的地址变换机构分