第5章存储管理(1)

1、第五章 存储管理,1、概述 1.1 存储组织 存储装置层次,大容量磁带存储器,活动头磁盘,固定头磁盘/磁鼓 电荷耦合器件/磁泡,主 存,高速缓存Cache,寄存器GR,存储组织在存储技术和CPU寻址技术许可的范围内寻求 合理的存储结构，又称为存储器层次结构或存储体系。 一般方法 即在辅助硬件与软件（主要是操作系统）的 支持下，将快速的存储装置和容量大的存储装置构成一个统 一的整体并实现它们之间的信息自动传递与管理。 典型结构介绍主存一辅存层次结构（虚拟存储器）。,主存,辅存,辅助软硬件,A、主存、辅存在性能方面存在差异。 设TA1,TA2分别为主存和磁盘的访问时间，则TA2/TA1称为 访问时

2、间比,记为r。 命中率 CPU产生的逻辑地址能够在主存访问到的概率， 记为H。 等效访问时间单位信息或一次访问该存储体系(即主 存-辅存层次结构)的访问时间，记为TA，且有 TA=H*TA1+(1-H)*TA2，记e= TA1/TA为访问效率。 e=TA1/TA =TA1/(H*TA1+(1-H)*TA2) =1/(H+(1-H)*r)=1/(r+(1-r)*H),0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,e,H,r=1,r=2,r=10,r=100,B、主存、辅存在价格方面存在差异。 设SM1 ,SM2分别为主存、辅存的容量，C1,C2分别为各 自的每位

3、平均价格，则该存储体系（即主存-辅存层次结构） 的每位平均价格 C=(SM1*C1+ SM2*C2)/(SM1+SM2)。,1.2 存储管理的目的和功能 存储器作为重要资源，涉及系统的性能。 存储管理主要针对主存的管理，就是对用户区域进行管 理。 帕金森Parkinson理论 程序的增大正好填满增大的主 存空间。 主要功能 A、主存的分配和管理 B、扩充主存容量 C、共享主存 D、存储保护,1.3 存储分配方式与时机 静态分配 指用户程序被编译加工形成目的程序后，由 装配程序对其进行连接装入时才确定其在主存中的位置，即 在装入时实现存储分配。 三个规定 装入时分配全部申请量 占据其空间直至退出

4、系统 不能搬家与再申请,动态分配装入时确定作业在主存的初始位置和大小， 在执行过程中可根据需要动态地增加附加存储空间或归还无 用的存储空间。 具体表现 不必全部装入，占用区不必连续 支持不可预测的分配和释放,1.4 重定位 地址空间 名空间用高级语言编制的源程序，存在于由程序员建 立的符号名字空间。 地址空间源程序编译得到的目标程序存在于由名空间 所限定的地址范围，即程序用来访问信息所用的一系列地址 单元的集合，这些单元的编号称为逻辑地址。 存储空间 指主存中一系列物理单元的集合，这些单 元的编号称为物理地址或绝对地址。,源程序,符号指令,数据说明,IO指令,名空间,编译后,目标程序,地址空间

5、,源程序,实空间,主存空间,N,0,B,0,B+N,M,重定位指由于一个作业装入到与其地址空间不一致的存 储空间所引起的对有关地址部分的修改或调整的过程。,LOAD 1，500,100,0,500,N,12345,LOAD 1，500,1100,1000,1500,M,12345,0,1000+N,重定位的分类依据转换时机与采用的手段。 静态重定位指作业在装入主存过程中由装配程序进 行的地址转换方式。 动态重定位指程序执行过程中CPU访问指令或数据 前，由附加的地址变换机构进行的地址转换方式。 动态重定位的实现方式 重定位寄存器RR支持动态存储分配，支持“搬家”或 浮动。,LOAD 1，500

6、,100,0,500,N,12345,LOAD 1，500,1100,1000,1500,M,12345,0,1000+N,500,1000,RR,+,CPU一侧,存储器一侧,某进程(作业),主存,映像方式使用页表描述虚实页面的对应关系。,1.5 虚拟存储器 局部性原理 指程序在执行过程中的一个较短时期，所 执行的指令地址和指令操作数的地址，分别局限于一定区域 内，表现为时间局部性和空间局部性。 基本思想 程序装入时不必全部装入主存，只将当前需 要的部分装入主存，在程序执行中如果需要的部分不在主存， 则由操作系统发现并调入。 有关说明 1）虚拟存储器的容量受辅存容量限制而非主存 2）时间换空间

7、技术的应用 3）需要硬件支持,2.主存管理方法 2.1 覆盖与交换 是多道环境下用以扩充内存的两种方法。 覆盖技术其目的是在较小的可用内存中运行较大的程 序。要求程序的覆盖结构。 示例某进程的程序正文由A、B、C、D、E、F等6个程序 段组成它们之间的调用关系如图。,A 20k,B 50k,C 30k,F 30k,E 40k,D 20k,交换技术 由操作系统将在内存中处于等待状态的进程 换出内存，将哪些处于就绪状态的进程换入内存，又称为对 换或滚进滚出。对于内、外存之间信息交换的控制，覆盖技 术是用户程序自己附加的，而交换技术是由操作系统完成的。 2.2 连续分配存储管理 连续分配是指为一个用

8、户程序分配连续的内存空间。 单一连续区存储分配 除系统占用一部分主存外，剩 余主存区域全部分配给用户应用程序。如图示。,OS常驻部分,用户占用部分 （用户程序）,用户空闲部分,Fence,栅栏寄存器,特点 1）采用静态分配与静态重定位，管理最简单，适用于 单用户、单任务。其分配回收算法如图。 2）不支持多道，主存利用率不高，不支持大程序。,分配并装入,运行作业,作业结束、释放主存空间,调度下一个作业,本次无法分配 暂停执行、输出有关信息,作业大小=用户可用区大小,Y,N, 分区存储分配 除系统占用区外，用户区划分为若干 大小相等或不等的区域（称为分区），一道作业或进程占用 一个或多个分区。 固

9、定分区方式预先将可分配的主存空间划分为若干 固定大小的连续分区，管理设置主存分配表。 示例系统某时刻分区情况说明。,OS常驻部分,J1,32k,0,144k,J2,J3,48k,80k,256k,主存分配表,分配与回收分配的选择标志为0，适当大小的分区，常用 顺序分配法，回收时只将相应分区的占用标志置0。,顺序分配法流程,作业Ji申请xk主存,j=0,j=j+1,查看分配表第j个表目,状态=0,分区长度=X,j为最后表目,置状态位=1 填入作业名Ji,装入作业Ji,无法分配作业Ji等待,Y,Y,Y,N,N,N,内零头（内碎片）一个分区被作业或进程占不满时留下的 空余部分。 特点 1）方法简单，

10、主存利用率不高。 2）分区数目固定，限制并发执行的程序数目。 可变分区方式（动态分区方式）不预先划分几个固定分 区，分区的建立是在作业的处理过程中进行的，其大小随作 业的需求量决定。 分配与回收系统初启时只有一个空闲分区，分配程序不断依次划分 该区域给被调度的作业或进程，由于进程的执行与完成而出现一系列的分 配与释放，故任一时刻分区的大小及个数都是变化的。,空闲块链（自由块链）采用指针方式将各个空闲分区（块） 链接而成的链表，用以记录主存分配现状。,1,N+2,N个字节,1,N+2,状态,大小,指针,已分配区,0,N+2,前向,N个字节(空闲区),0,N+2,后向,状态,大小,指针,未分配区,

11、0,N+2,N个字节,0,N+2,0,M+2,N个字节,0,M+2,Free,分配与回收算法按空闲块链接方式的不同分类。 1）最佳适应算法 空闲块按其规模从小到大递增的顺序 组成链，分配按链查找适合用户要求的块。 2）最坏适应算法 空闲块按大小递减的顺序组链，分配 时大块先划分。 3）首次适应算法 空闲块按地址递增的顺序组链，分配 选择从始端开始的第一个满足申请的空闲块。 4）下次适应算法 首次适应算法的变形，每次查找合适 块总是从上次查找结果的位置开始，空闲块组成一个循环链。,外零头（外碎片） 分区之间无法利用的空闲小块。 存储器紧缩 为消除外零头，进一步提高主存利用率，定 时（或在主存紧张时）把主存中的作业或进程搬家（或称浮 动），集中在主存的一端，而使另一端出现大空闲区。 多重分区一个作业或进程同时占用多个分区。 分区保护防止一个作业或进程有意或无意破坏操作系统 或其它作业或进程。,作业A,60k,下界,60k访问地址=124k 非法,124k,上界,1）界限寄存器方式采用上、下界寄存器，非法访问则 产生越界中断。,2）基址限长寄存器方式采用基址和限长寄存器，是界限 寄存器的变形。,作业A,60k,基址,相对地址限长 非法,64k,限界,3）保护键（存储键）方式 主存容量划