ch4计算机存储器管理

第四章 存 储 器 管 理 第四章 存储器管理 4.0 准备知识4.1 程序的装入和链接 4.2 连续分配方式 4.3 基本分页存储管理方式 4.4 基本分段存储管理方式 4.5 虚拟存储器的基本概念 4.6 请求分页存储管理方式 4.7 页面置换算法 4.8 请求分段存储管理方式 第四章 存 储 器 管 理 近年来，微电子技术及大规模集成电路取得了长足 的进步，以半导体芯片组成的存储器，其容量由过去的 几百、几千字节扩大到几十兆字节，甚至更大容量的存 储器已经问世。随着计算机应用领域的拓宽，目前不少企事业部门 要求应用计算机来实现管理现代化，建立综合的管理信 息系统，其要求存储的数据量愈来愈大；另外软件资源 也愈来愈丰富，系统软件和应用软件在种类、功能及其 所需存储空间等都在急剧增加。存储器作为计算机系统的重要组成部分，虽然其容 量一直在不断的扩大，价格已相当便宜，但主存容量仍 然是计算机硬件资源中最关键而又最紧张的“瓶颈”资源 ，仍然满足不了现代化软件发展的需要。4.0 准备知识第四章 存 储 器 管 理 因此，存储器仍然是计算机系统中宝贵且紧俏的 资源。它们如何合理而有效地使用它，在很大程度上 反映了 OS 的性能，并直接影响到整个计算机系统性能 的发挥。所以，存储器管理仍是目前人们研究 OS 的中 心问题之一，对主存的管理和有效使用仍然是今天OS 十分重要的内容。许多OS之间最明显的区别特征之一 往往是所使用的存储管理方法不同。 如OS/360-MFT采用固定分区存储管理技术， OS/360-MTV是采用可变分区存储管理技术，OS/2， WindowsNT, 是采用虚拟存储管理技术。由于对外存的管理与对内存的管理有许多相似之 处，只是两者用途不同，加之外存主要用来存储文件 ，故对外存的管理放在文件管理一章中介绍，存储器 管理讨论的对象是内存。第四章 存 储 器 管 理 本章主要介绍各种实存储分配和管理方案，虚拟存储器的概念及实现不同虚拟存储器的技术的讨论。操作系统之所以有那么多种类，甚至一种型号的计算机配置若干种操作系统，其主要原因之一是为了适应各种用途而采用了不同的存储器管理策略。在介绍各种存储器管理技术方案之前，首先指出存储器管理的主要目的及其应提供的主要功能，并说明在存储器管理中几个十分重要的概念。例如：存储器的层次、存储分配、地址重定位等概念。第四章 存 储 器 管 理 高速缓存主存外存cpu可访n十k 几百knM 几百MnGMn十G(G=1km)高速缓存Cache：K字节、高速、昂贵、易变的 内存RAM： M字节、中速、中等价格、易变的 磁盘：G或T字节、低速、价廉、不易变的 为能更多的存放并更快地处理用户信息，目 前许多计算机把存储器分为三级。4.0.1 存储器的层次结构第四章 存 储 器 管 理 图中的三级存储器，从高速缓冲存储器(简称缓存)到 外部存储器(以后简称外存)，其容量愈来愈大，而访问数 据的速度则愈来愈慢，价格也愈来愈便宜。如现在的缓存 的最大传输速度为几十分之一至几百分之一ns，主存的传 输速度几ns级。用户的程序在运行时应存放在主存中，以便处理机访 问。其中直接存取要求内存速度尽量快到与CPU取指速度 相匹配，大到能装下当前运行的程序与数据，否则CPU执 行速度就会受到内存速度和容量的影响而得不到充分发挥 。但是由于主存容量和速度有限。所以把那些不马上使 用的程序、数据放在外部存储器(又称辅存)中。当用到时 再把它们读入主存。由操作系统协调这些存储器的使用 4.0.1 存储器的层次结构第四章 存 储 器 管 理 为了便于对主存储器进行有效的管理，我们把存储器分成若干个区域。即使在最简单的单用户系统中，至少也要把它分成两个区域：在一个存储区域内存放系统软件，如操作系统本身；而另一个存储区域则用于安置用户作业。显然，在多用户系统中，为了提高系统的利用率，需要将存储器划分成更多的区域，以便同时存放多个用户作业。这就引起了存储器分配问题及随之产生的其它问题。4.0.2 存储器管理的目的和功能第四章 存 储 器 管 理 存储器管理的主要目的和功能如下： 1.主存储器的分配和管理：按用户要求把适当的 存储空间分配给相应的作业。一个有效的存储分配 机制，应在用户请求时能作出快速的响应，分配相 应的存储空间；在用户不再使用它时，应立即回收 ，以供其他用户使用。为此，这个存储分配机制应 具有如下功能（3个）： (1)记住每个存储区域的状态：哪些是已分配的 ，哪些是可以用作分配的。 (2)实施分配：在系统程序或用户提出申请时， 按所需的量给予分配；修改相应的分配记录表。 (3)接受系统或用户释放的存储区域：并相应地 修改分配记录表。4.0.2 存储器管理的目的和功能第四章 存 储 器 管 理 2.提高主存储器的利用率：使多道程序能动态地 共享主存，最好能共享主存中的信息。 3.“扩充”主存容量：这是借助于提供虚拟存储器 或其它自动覆盖技术来达到的。即为用户提供比主 存的存储空间还大的地址空间，之后，用户可以想 象把他的程序或数据装入到这样的地址空间内。 4.存储保护：确保各道用户作业都在所分配的存 储区内操作，互不干扰。即要防止一道作业由于发 生错误而损害其它作业，特别需要防止破坏其中的 系统程序。这个问题不能用特权指令来加以解决。 而必须由硬件提供保护功能，并由软件配合实现。4.0.2 存储器管理的目的和功能第四章 存 储 器 管 理 所谓存储分配，主要是讨论和解决多道作业之 间共享主存的存储空间问题。前面已讲到现代计算 机系统都采用多级存储体系结构。因此，存储分配 所要解决的问题是：要确定什么时候，以什么方式 ，或是把一个作业的全部信息还是把作业运行时首 先需要的信息分配到主存中，并使这些问题对用户 来说尽可能是“透明”的。解决存储分配问题有三种方式：1.直接指定方式：程序员在编程序时，或编译 程序(汇编程序)对源程序进行编译(汇编)时，所用的 是实际存储地址。例如，在多道程序环境下，应保证各作业所用 的地址互不重叠。4.0.3 存储分配的三种方式第四章 存 储 器 管 理 显然，采用直接指定方式分配的前提是：存储器的可 用容量(空间)已经给定或可以指定，这对单用户计算机系 统是不成问题的。 在多道程序发展的初期，通常把存储空间划分成若干 个固定的不同大小分区，并对不同的作业指定相应的分区 。因此，对算题人员或对编译程序而言，存储器的可用空 间是可知的。这种分配方式的实质是：由算题人员在编程序时，或 由编译程序编译源程序时，对一个作业的所有信息确定了 在主存存储空间中的位置。因此，这种直接指定方式的存 储分配方案，不仅用户感到不便，而且存储空间的利用也 不那么有效。（缺点）4.0.3 存储分配的三种方式第四章 存 储 器 管 理 2.静态分配(Static Allocation) 采用这种静态存储分配方 案，用户在编程时，或由编译程序产生的目的程序，均可从 其地址空间的零地址开始；它们是当装配程序对其进行连接 装入时才确定它们在主存中的相应位置，从而生成可执行程 序。也就是说，存储分配是在装入时实现的。这种静态存储分配方式的特点是：(1)在一个作业装入时必须分配其要求的全部存储量；(2)如果没有足够的存储空间，就不能装入该作业；(3)一旦一个作业进入内存后，在其退出系统之前，它一直 占用着分配给它的全部存储空间；(4)在作业的整个运行过程中不能在内存中“搬家”、也不能 再申请存储量。这种静态分配策略的存储管理很简单，但在多道程序系 统中不能有效地共享存储器资源。4.0.3 存储分配的三种方式第四章 存 储 器 管 理 3.动态分配(Dynamic Allocation)：动态分配是一种更加有 效的使用主存储器的方法。这种动态存储分配方式的特点是：(1)作业在存储空间中的位置，也是在其装入时确定的；(2)在其执行过程中可根据需要申请附加的存储空间；(3)一个作业已占用的部分存储区域不再需要时，可以要求 归还给系统。即：这种存储分配机制能接受不可预测的分配和 释放存储区域的请求，实现个别存储区域的分配和回收；(4)存储区域的大小是可变的；要求这个区域必须是单个连续的存储区域，以便和提出存 储请求之作业的虚拟地址空间相对应。(5)它允许作业在内存中“搬家”。目前，绝大多数计算机系统都采用静态或动态存储分配策 略，所以，在本章只讨论这两种存储分配的实现技术，重点放 在各种动态存储分配技术的实现上。4.0.3 存储分配的三种方式第四章 存 储 器 管 理 我们首先要分清几个不同概念：1.地址空间：是指由目标程序所限定的地址范围。即 ：地址空间仅仅是指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。一个用高级语言编制的源程序，我们说它存在于由 程序员建立的符号名字空间（简称名空间）。通常，编译程序在对一个源程序编译时，总是从零 号单元开始为其分配地址，其它所有地址都是从这个开 始地址顺序排下来的，因此，地址空间中的所有地址都 是相对于起始地址的，因而称它们为相对地址，所以， 逻辑地址也就是相对地址。2.存储空间：所谓存储空间是指主存中一系列存储 信息的物理单元的集合。这些单元的编号称物理地址或 绝对地址。因此，存储空间的大小是由主存的实际容量 决定的。4.0.4 几个基本概念第四章 存 储 器 管 理 符号指令数据说明I/O说明0 目标 程序x 0 A 作业J A+x 512K 名空间地址空间(作业 J 的源程序)存储空间装入编译简言之，地址空间是逻辑地址的集合；存储空间是 物理地址的集合。一个是“虚”的概念，一个是“实”的物 体。一个编译好的目标程序存在于它自己的地址空间中 ，当要它在计算机上运行时，才把它装入存储空间，上 图说明一个作业在编译、装入前后存在于不同空间的情 况。关于三个空间的定义可以通过下面的图示来理解。4.0.4 几个基本概念第四章 存 储 器 管 理 4.1 程序的装入和链接 在多道程序环境下，程序要运行必须为之创建 进程，而创建进程的第一件事情就是要把用户编写 好的源程序和数据装入内存。如何将一个用户源程 序变为一个可在内存中执行的程序，通常要经过下 列几步：编译(Compiler)：一般说来，源程序模块是用高级语言(如pascal、fortran、cobol)或汇编语言写的一组程序语句。计算机不能直接执行源语句，它们要首先被编译程序或解释程序翻译成机器级代码。编译程序接受完整的源一级的程序，并以类似 于成批的方式生成完整的目标一级的模块。 第四章 存 储 器 管 理 链接(Linker)：目标模块是纯二进制的机器级代码。计算机可以执行目标级代码，但是典型的目标 模块是不完备的，它包含对其它目标模块（诸如存取 方法或子例程）的引用。因此，目标模块通常是不能 装入计算机并执行的。所以，一些目标模块必须首先 链接成一个装入模块，它是能被装入并执行的完备的 机器级程序。这个使目标模块链接成装入模块的过程 ，在IBM系统中是由称为链接编辑程序的系统程序实现的。 装入(Loader)：由装入程序将装入模块装入内存并执行第四章 存 储 器 管 理 图 4-1 对用户程序的处理步骤 源 程序编译程序目标 模块链接程序装入 模块应用程序系统源 语句库私有源 语句库私有 目标库系统 目标库装入程序装入 内存第四章 存 储 器 管 理 4.1.1 程序的装入根据存储空间的分配方式，将一个装入模块装入内存时， 可采用三种方式： 一、绝对装入方式(Absolute Loading Mode) ：程序员在编程 序时，或编译程序（汇编程序）对源程序进