計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 第5章.ppt

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1、第5章存儲(chǔ)管理5.1存儲(chǔ)管理的功能5.2分區(qū)存儲(chǔ)管理5.3覆蓋與交換技術(shù)5.4頁式管理5.5段式與段頁式管理5.6局部性原理和抖動(dòng)問題習(xí)題5.1存儲(chǔ)管理的功能存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要資源之一。因?yàn)槿魏纬绦蚝蛿?shù)據(jù)以及各種控制用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都必須占用一定的存儲(chǔ)空間，因此，存儲(chǔ)管理直接影響系統(tǒng)性能。存儲(chǔ)器由內(nèi)存和外存組成。內(nèi)存由順序編址的塊組成，每塊包含相應(yīng)的物理單元。CPU要通過啟動(dòng)相應(yīng)的輸入輸出設(shè)備后才能使外存與內(nèi)存交換信息。本章主要討論內(nèi)存管理問題。主要包括：幾種常用的內(nèi)存管理方法、內(nèi)存的分配和釋放算法、虛擬存儲(chǔ)器的概念、控制主存和外存之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)方法、

2、地址變換技術(shù)和內(nèi)存數(shù)據(jù)保護(hù)與共享技術(shù)等。下面先介紹存儲(chǔ)管理的功能。5.1.1虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)管理的核心概念?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理存儲(chǔ)器都分為內(nèi)存和外存，內(nèi)存價(jià)格比外存價(jià)格昂貴，不可能用大容量的內(nèi)存存儲(chǔ)所有被訪問的或不被訪問的程序與數(shù)據(jù)段。而外存盡管訪問速度較慢，但價(jià)格便宜，適合于存放大量信息。這樣，存儲(chǔ)管理系統(tǒng)把進(jìn)程中那些不經(jīng)常被訪問的程序段和數(shù)據(jù)放入外存中，待需要訪問它們時(shí)再將它們調(diào)入內(nèi)存。那么，對(duì)于那些一部分?jǐn)?shù)據(jù)和程序段在內(nèi)存而另一部分則在外存的進(jìn)程，怎樣安排它們的地址呢？通常由用戶編寫的源程序，首先要由編譯程序編譯成CPU可執(zhí)行的目標(biāo)代碼

3、。然后，鏈接程序把一個(gè)進(jìn)程的不同程序段鏈接起來以完成所要求的功能。顯然，對(duì)于不同的程序段，應(yīng)具有不同的地址。有兩種方法安排這些編譯后的目標(biāo)代碼的地址。一種方法是按照物理存儲(chǔ)器中的位置賦予實(shí)際物理地址。這種方法的好處是CPU執(zhí)行目標(biāo)代碼時(shí)的執(zhí)行速度高。但是，由于物理存儲(chǔ)器的容量限制，能裝入內(nèi)存并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程數(shù)將會(huì)大大減少，對(duì)于某些較大的進(jìn)程來說，當(dāng)其所要求的總內(nèi)存容量超過內(nèi)存容量時(shí)將會(huì)無法執(zhí)行。另外，由于編譯程序必須知道內(nèi)存的當(dāng)前空閑部分及其地址，并且把一個(gè)進(jìn)程的不同程序段連續(xù)地存放起來，因此編譯程序?qū)⒎浅?fù)雜。另一種方法是編譯鏈接程序把用戶源程序編譯后鏈

4、接到一個(gè)以0地址為始地址的線性或多維虛擬地址空間。這里，鏈接既可以是在程序執(zhí)行以前由鏈接程序完成的靜態(tài)鏈接，也可以是在程序執(zhí)行過程中由于需要而進(jìn)行的動(dòng)態(tài)鏈接。而且，每一個(gè)進(jìn)程都擁有這樣一個(gè)空間（這個(gè)空間是一維的還是多維的由存儲(chǔ)管理方式?jīng)Q定）。每個(gè)指令或數(shù)據(jù)單元都在這個(gè)虛擬空間中擁有確定的地址，把這個(gè)地址稱為虛擬地址（virtualaddress）。顯然，進(jìn)程在該空間的地址排列可以是非連續(xù)的，其實(shí)際物理地址由虛擬地址到實(shí)際物理地址的地址變換機(jī)構(gòu)變換得到。由源程序到實(shí)際存放該程序指令或數(shù)據(jù)的內(nèi)存物理位置的變換如圖所示。地址變換與物理存儲(chǔ)器圖將進(jìn)程中的目標(biāo)代碼

5、。數(shù)據(jù)等的虛擬地址組成的虛擬空間稱為虛擬存儲(chǔ)器。虛擬存儲(chǔ)器不考慮物理存儲(chǔ)器的大小和信息存放的實(shí)際位置，只規(guī)定每個(gè)進(jìn)程中互相關(guān)連的信息的相對(duì)位置。與實(shí)際物理存儲(chǔ)器只有一個(gè)（單機(jī)系統(tǒng)中），且被所有進(jìn)程共享不一樣，每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的虛擬存儲(chǔ)器，且虛擬存儲(chǔ)器的容量是由計(jì)算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)和尋址方式確定的。例如，直接尋址時(shí)，如果CPU的有效地址長(zhǎng)度為16位，則其尋址范圍為0到64K。上圖中的編譯和鏈接主要是語言系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。不過，由虛擬存儲(chǔ)器到物理存儲(chǔ)器的變換是操作系統(tǒng)所必須解決的問題。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)變換，必須要有相應(yīng)的硬件支持，并使這些硬件能夠完成統(tǒng)一管理內(nèi)存和外存

6、之間數(shù)據(jù)和程序段自動(dòng)交換的虛擬存儲(chǔ)器功能。即：由于每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的虛存，且每個(gè)虛存的大小不受實(shí)際物理存儲(chǔ)器的限制，因此，系統(tǒng)不可能提供足夠大的內(nèi)存來存放所有進(jìn)程的內(nèi)容。內(nèi)存中只能存放那些經(jīng)常被訪問的程序和數(shù)據(jù)段等。這就需要有相當(dāng)大的外部存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)那些不經(jīng)常被訪問或在某一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)被訪問的信息。待到進(jìn)程執(zhí)行過程中需要這些信息時(shí)，再從外存中自動(dòng)調(diào)入主存。5.1.2地址變換內(nèi)存地址的集合稱為內(nèi)存空間或物理地址空間。內(nèi)存中，每一個(gè)存儲(chǔ)單元都與相應(yīng)的稱為內(nèi)存地址的編號(hào)相對(duì)應(yīng)。顯然，內(nèi)存空間是一維線性空間。怎樣把幾個(gè)虛存的一維線性空間或多維線性空間變換到內(nèi)

7、存的唯一的一維物理線性空間呢？這涉及到兩個(gè)問題。一個(gè)是虛擬空間的劃分問題。例如進(jìn)程的正文段和數(shù)據(jù)段應(yīng)該放置在虛擬空間的什么地方。虛擬空間的劃分使得編譯鏈接程序可以把不同的程序模塊（它們可能是用不同的高級(jí)語言編寫的），鏈接到一個(gè)統(tǒng)一的虛擬空間中去。虛擬空間的劃分與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。VAX-11機(jī)的虛擬空間結(jié)構(gòu)圖、虛擬空間的劃分第二個(gè)問題是把虛擬空間中已鏈接和劃分好的內(nèi)容裝入內(nèi)存，并將虛擬地址映射為內(nèi)存地址的問題。稱之為地址重定位或地址映射。地址映射就是要建立虛擬地址與內(nèi)存地址的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)地址重定位或地址映射的方法有兩種：靜態(tài)地址重定位動(dòng)態(tài)地址重定位。1.

8、靜態(tài)地址重定位靜態(tài)地址重定位（staticaddressrelocation）是