计算机软件基础Thesoftwarebasicofcomputer主讲赵英良ppt课件

1、计算机软件基础主讲人：赵，交通大学计算机教学实验中心，9单元，内存与设备管理、第2页，前一节提示(1)，1。操作系统概述(1)概念、功能、分类和发展(2)相关技术(多处理、通道技术和中断技术)(3)常见操作系统简介(2)文件管理系统(1)文件概念和分类(2)文件系统功能和特征(3)文件系统组织和存储结构(4)DOS、WINDOWS和UNIX前一节的内容建议(2)、3。过程管理(1)程序的相关概念(单通道、多通道、批处理)，(2)过程和相关概念(过程、特性、属性、状态、线程)，(3)过程管理(过程组成、过程控制块的组织形式)，(4)过程调度的任务和功能，(4)用户界面和。第4页，第9单元操作系统

2、的内存管理和设备管理，第5页，第1页。内存管理，1。基本概念(1)定义：内存是一种能够接收数据、保存数据并根据命令提供这些数据的设备。(2)内存分类：内存(简称内存、主存和物理内存):处理器直接访问的内存，用于存储系统和用户的程序和数据。其特点是：存取速度快，新存储模式取代旧存储模式，断电信息丢失。外部存储器(简称为外部存储器和辅助存储器):处理器不能直接访问的存储器。用于存储用户的各种信息，访问速度比内存慢得多，但可以用来长时间保存用户信息。比如我们的磁盘。提示：内存管理主要指内存管理。因此，在没有特别解释的情况下，内存管理指的是内存的管理。第6页，(3)内存的物理组织物理地址：将内存分成几

3、个大小相等的存储单元，每个单元都有一个数字，称为内存地址(物理地址、绝对地址和真实地址)，存储单元占用8位，称为字节。256兆内存指字节物理地址空间；物理地址的集合称为物理地址空间(主存储器地址空间，绝对地址空间)，它是一维线性空间。第7，2页。内存管理功能：(1)存储空间的地址转换：将逻辑地址转换为物理地址；(2)存储空间的分配和释放：负责分配和回收内存；(3)扩展主存空间：提供虚拟存储和程序覆盖技术，旨在扩展运行大型程序的能力；(4)存储保护：保护系统程序和用户程序的运行不受干扰。第8页，(1)存储空间的地址转换，几个相关的概念程序地址：用户在程序中使用符号名称，编译系统在生成的目标程序中

4、使用的地址是相对于程序的开始而设置的，这被称为逻辑地址(或相对地址，虚拟地址)(以0为基地址的顺序寻址)程序地址空间(逻辑地址空间，虚拟地址空间):用户程序地址的集合物理地址：可执行程序在计算机中运行时使用存储器的物理地址(也称为绝对地址)。地址转换：从程序的逻辑地址空间到运行时实际使用的物理地址空间的转换称为“地址转换”，也称为地址重定位或地址映射。从逻辑地址到物理地址的转换，第9页，地址重定位示意图，int a；浮动b。char c；a的绝对地址，b的绝对地址，c的绝对地址，a的逻辑地址，b的逻辑地址，c的逻辑地址，2FF0，3EC0，4DAA，目标程序的存储空间名称空间地址空间内存物理地

5、址编译和链接生成逻辑地址。第10页，地址重定位模式，静态重定位和动态重定位。第11页，静态地址重定位，原则：指作业执行前的重定位。地址转换主要通过重新定位加载器来完成。特点：简单，易于实现，无需硬件支持，是早期计算机采用的一种方式。缺点：程序一旦定位，就不能再在主存中移动，不能重新分配内存，不利于内存的有效利用；要求作业分配连续的主存空间，主存资源利用率低；不同的用户很难在主存中共享同一个程序。嘿。第12页，静态重定位图、作业a的地址空间、主内存空间、0 100 300 500、100 200 400 600、输入1，300、输入1，400、1，357、1，357。在重新定位到主存储器空间之后

6、，因为作业是从物理地址100加载的，所以输入语句的地址顺序地位于200，并且读取记录位于400。从逻辑地址300读取1条记录。第13页，动态地址重定位，动态地址重定位是程序执行过程中的重定位，更准确地说，地址转换是在每个存储单元访问之前执行的。它是通过硬件地址转换机制实现的。加载主内存空间时，设置一个重定位寄存器(RR)来存储起始地址。访问主存储空间的作业的地址由逻辑地址加上位置寄存器的地址决定。主存储器实际地址=逻辑地址重定位寄存器内容，第14页，动态地址重定位示意图、0 100 300 600、0 1100 1300 1600、I 1 300 1 3 5 7、作业A地址空间、有效地址。30

7、0 1 3 5 7、来自第15页，动态地址重定位的特性，目标模块在被加载到主存储器后可以很容易地被移动。有利于解决内存管理中的碎片问题；多个相对独立的目标模块可以被加载到相互不相邻的存储区域中。充分利用内存和共享资源非常方便。不执行的程序不进行地址映射，这节省了CPU时间。需要额外的硬件支持，这增加了系统的开销。(重新定位寄存器，缺点)。第16页，(2)存储空间的分配和释放在计算机中，无论是系统程序还是用户程序，无论是数据还是文件，都必须装入主存进行处理。系统通过空间分配管理表记录系统中的可用空间和占用空间状态来管理内存的分配和释放。过程如下：a)应用程序申请空间；b)如果有足够的内存，加载程

8、序执行；否则，等待或显示没有足够的内存空间。c)程序执行后，申请恢复，系统恢复内存。在第17页的存储分配方法中，有三个物理地址直接分配源程序中的主内存。用户要求高，使用不方便，容易出错。用于早期的计算机系统。静态分配在加载作业之前，程序会一次性解释作业中包含的地址空间。确认后，在整个程序执行过程中不会改变。简单，利用率低，难以通过多个程序共享资源。(对应于静态地址转换)动态分配决定作业加载到主内存时或执行期间的存储分配。管理复杂，但利用率高，很容易实现主存的资源共享。在现代多频道节目系统中，主要使用动态分配。第18页，(3)存储空间的分区保护。在多通道程序系统的主存(环境)中，为了保护系统程序

9、的安全(目的)，系统程序和用户程序所使用的实际区域是分开的(方法)。这种划分是通过硬件实现的。用户程序只能使用用户区的存储空间(描述)。其它存储保护a)上下限保护b)基址和有限长度寄存器保护、系统区、用户区、主存空间分区保护图、第19页，(4)扩展主存空间，主存空间是有限的，用于在有限空间中运行大型程序的技术有：“自动覆盖”技术、“虚拟存储”技术等。一次只调用一个段落进行处理。在早期的编程中，类似的方法经常被用来处理大问题。例如，为了求解大型线性方程组，使用“块”算法将大型系数矩阵分成小块。在第21页，虚拟存储，基本思想：用户在编程时不需要考虑物理内存的结构和容量。当程序很大时，系统会将部分外

10、部内存“虚拟化”到内存中以供使用。386地址总线有32位，寻址是232=4GB，可以管理64TB的虚拟内存。虚拟内存技术是在硬件和软件(中央处理器和操作系统)的支持下实现的。硬件负责虚拟和真实地址的转换；软件负责真实内存(主内存)和虚拟内存(外部内存)之间的信息调度管理。第22页，内存扩展技术的比较，覆盖技术：一个作业的几个程序段或几个作业的某些部分共享某个存储空间。交换技术：当内存空间不足时，系统会将内存中的一些进程临时移动到外部内存中，并将外部内存中的一些进程转换到内存中，占用前者所占用的区域(UNIX)。此外，交换发生在进程或作业之间，而覆盖发生在同一进程或作业内。此外，重写只能覆盖那些

11、与重写段无关的程序段。虚拟内存：程序、数据和堆栈的大小可以超过内存的大小。操作系统将程序当前使用的部分保存在内存中，而另一部分保存在磁盘上，并在必要时动态交换。第23，3页。介绍了四种存储管理方法：单连续区分配法、多连续区分配法、分页管理法，第24页，(1)单连续区分配法，该方法的要点是：将主存分成两个固定的存储区；一个固定分配给操作系统，另一个分配给用户程序。硬件支持：引入“围栏寄存器”(边界寄存器)将操作系统与用户的使用区域分开。用户程序的重定位方法可以使用：静态定位法：在程序加载之前，逻辑地址被转换成绝对地址一次，然后不再转换。动态定位方法：在程序执行过程中动态实现，第25页，单个连续区

12、域分配方法示意图，中央处理器，操作系统，空闲空间，用户区域，主内存空间，位置寄存器，逻辑地址)，2000年第26页，单个连续区域分配方法的特点，优点：易于定位，使用简单缺点：但是，在多程序处理的情况下，主内存资源利用率低，浪费大。仅适用于单通道程序，第27页，(2)多连续区分配方法，该方法的要点是：将主存空间分成几个连续区，并建立一个空间分区表进行管理。分区大小可以不同。硬件支持：添加新的保护设备边界寄存器LOW和up来限制块的上限和下限。分类：固定分区，也叫静态变长分区，也叫动态分区，页28，固定分区(多连续分区)，a)在操作之前，主存被分成几个固定大小的连续区域；分区大小可以相同也可以不同

13、。一旦被分割，它将不会在系统运行期间被重新分割。(分区)b)建立分区描述表，记录每个分区的大小、区号、起始地址、占用标志和其他信息。(创建分区描述表)c)在作业调度期间，根据分区描述表加载程序并确定程序的重定位地址。(由分区描述表管理)。第29页，固定分区图、区号、大小、地址、状态，10k20k已分为20k和30k，50k已分为480k和80k，分区表、操作系统、操作a、第三个分区没有分区，20k，30k，50k，80k，主要是存储“垃圾”。每个分区只能容纳一个作业，这不一定会占用该分区，因此会产生碎片、奇数部分和垃圾。第30页，固定分区方法的特点和优势：管理和调度简单，分区策略适用于具有相对

14、一定工作负载的系统。缺点：主存的“分数”太多，这是一种严重的浪费；这导致了“垃圾”回收的问题。在第31页，可变长度分区(多连续分区)，该方法的要点是：根据要加载的作业的实际大小划分区域，分区的数量也可以调整；需要建立两个表(已分配分区表p和未分配分区表f)来管理主内存空间。特点：优点：主存的“分数”很小(但仍有)；缺点：剩余空白区域很小，不能使用；找到一个大的空白区域需要时间(从头开始)；合并主内存的“部分”需要时间和时间来恢复。第32页，多连续区域分配方法示意图，已分配区域表p，未分配区域表f，区域代码长度起始地址状态，1 8K 20K划分，2 16K 28K划分，3-空条目，4 124K

15、108K划分。1 64K 44K可用，2 24K 232K可用，3-空条目，4，5，操作系统，作业1，作业2，20K，28K，5，44K，可用分区1，108k，操作系统，可用分区1，作业3，可用分区2分配算法：先适配，最佳适配，合并小空闲块，存储区域，第33页，(3)分页管理方法，基本概念页面将作业的地址空间划分为称为页面的等长单元。块将主存的存储空间分成等长的单元，这些单元称为块。页表记录了主存中该页的页码和块号之间的对应表。页表实际上是一个地址重定位表。(页面记录和块之间的关系)操作表和页码管理之间的交叉引用表，每个操作有一个条目；表项由作业号、页表长度、页表起始地址、状态和其他信息组成。动态地址转换机制的硬件组件，用于从作业的地址空间映射到主存储器的物理空间；地址结构如下：P W，P是页码，W是页内偏移量。第34页，分页管理方法的算法描述，它将作业划