计算机操作系统笔记（4）

第四章存储器管理

4.1存储器的层次结构

存储器：

• 功能：保存数据
• 发展方向：高速、大容量和小体积

存储组织

存储组织是指在存储技术和CPU寻址技术许可的范围内组织合理的存储结构
一般的结构：“寄存器-内存-外存”结构 或 “寄存器-缓存-内存-外存”结构

层次结构

微机中的存储层次组织：

• 访问速度越慢，容量越大，价格越便宜
• 最佳状态应是各层次的存储器都处于均衡的繁忙状态

存储管理功能

• 存储分配和回收
• 地址变换
  生成可执行文件的链接技术
  程序加载时的重定位技术
  进程运行时硬件和软件的地址变换技术
• 存储共享和保护
  代码、数据共享
  地址空间访问权限
• 存储器扩充

重定位

概念：实现逻辑地址（相对地址）到物理地址（绝对地址）的映射
逻辑地址：编译链接后形成的可装入程序中，地址都是从0开始，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的，这些地址称为逻辑地址
物理地址：主存内存储信息的一系列物理单元地址

4.2程序的装入和链接

程序的装入

三种装入：

• 绝对装入
  概念：编译后，装入前已产生了绝对地址（内存地址），装入时不再作地址重定位
• 可重定位装入（静态重定位）
  概念：地址转换在装入时一次完成，由软件实现（重定位装入程序完成）
  变化：数据地址和指令地址均发生了变化。
  缺点：不允许程序在运行时移动在内存中的位置
  
• 动态运行时装入
  概念：动态重定位在执行时才完成相对—绝对地址的转换且有硬件的支持，能保证进程的可移动性

程序的链接

三种链接：

• 静态链接
  要解决的问题：
  对相对地址的修改
  变换外部调用符号
  
• 装入时动态链接
  优点：
  便于修改和更新
  便于实现对目标模块的共享
• 运行时动态链接

4.3连续分配

特点：进程在内存占用连续的存储空间
分为两大类：

• 单一连续分配（用于单用户，单任务的操作系统中）
• 分区式分配
  往下又有三类：固定式、可变式、可重定位分区分配

单一连续分配

概念：内存划为系统区和用户区，在用户区中仅装有一道用户程序占用整个用户区空间
优点：易于管理
缺点：造成内存浪费

固定分区分配

概念：内存划分为n个分区，可同时装入n个作业/任务。（多道）
分区大小：相等、不等（利用率更高）
数据结构：分区说明表
内存分配：建立一张分区说明表，将分区按大小排序，并将其地址、分配标识作记录
优点：操作简单
缺点：有内碎片（分区内的碎片）

动态分区分配（可变式分区分配）

概念：根据进程的实际需要，动态地为之分配内存空间
数据结构：空闲分区表（链）
优点：分区大小和数量可变
缺点：有外碎片（分区外的碎片）
注：作业的起始地址和大小记录在PCB表当中

分配内存：

• *回收内存：
  利用某种算法，从空闲分区表（链）中找到所需大小的分区
• 分配算法（基于顺序搜索）：
  首次适应算法（FF）：找到第一个大小满足的分区来分配
  循环首次适应算法（NF）：从1中上次找到的空闲分区的下一个开始查找
  最佳适应算法（BF）：找到能满足要求的最小空闲分区来分配（分区按大小递增排序，分区释放时需插入到适当位置）
  最坏适应算法（WF）：找到最大的空闲分区来分配
• 回收内存
  考虑空闲区位置的四种情况：
  上邻（合并，改大小）
  下邻（合并，改大小、首址）
  上、下邻（合并，改大小）
  不相邻（新建一新表项）

可重定位分区分配

紧凑：通过作业移动将原来分散的小分区拼接成一个大分区，作业的移动需重定位。是动态分配（因作业已经装入）

*动态重定位的实现：
变化：在每次访问内存单元前才进行地址变换，数据地址和指令地址不一定会都发生变化

*动态重定位分区分配算法：与动态分区分配算法相似，只不过增加了紧凑的功能

4.4对换

略

4.5~4.6属于离散分配

4.5分页存储管理方式

连续分配的弊端：产生碎片，使用紧凑方式解决又会增加系统开销
三种离散分配：分页、分段、段页

页面与页表

分页系统的基本思想：

1. 内存分块，从0开始编号
2. 作业分页，页与块等长，从0开始编号
3. 内存以块为单位分配，块可不相邻
   

页面：

• 页面和物理块：逻辑空间和物理空间
• 页面大小：要适中（过小，页表可能很长，换入/出效率低；过大，使页内碎片增大）

地址结构：

• 分页地址的地址结构：
  
• 相关计算：
  $P=INT[\frac{A}{L}], d=[A]$ $MOD$ $L$
  （A：逻辑地址，L：页面大小，P：页号，d：页内地址，INT：取整函数，MOD：取余函数）
  通常十进制的计算就用这种方法，若题目给定二进制/十六进制则用数串来拆分计算比较方便

页表：实现从页号到物理块号的映射

地址变换机构

基本任务：完成逻辑地址到物理地址的映射

• 页号->块号（通过页表完成）
• 业内地址->块内地址

基本地址变换机构：

• 越界保护：逻辑地址相对于始址的长度超过页表长度
• 每个进程对应一张页表
  页表的长度、始址信息存放在PCB中，执行时再装入页表寄存器（页表寄存器只有一个）
• 缺点：页表驻留在内存中，需要两次访问主存（访问页表，访问绝对地址内容），速度降低近1/2
  

具有快表的地址变换机构

• 快表：在地址变换机构中增设的高速缓冲寄存器（存放当前访问的页表项）
• 过程：先在快表中找匹配的页号，找不到再访问内存的页表，并且将读出的物理块号送入快表
• 特点：速度快，但成本高，不能太多
  

两级和多级页表

• 两级页表：页表可能很大（超过一页），将其离散放在不同块中，并建一“外部页表”来管理这些离散页表块（页表超过一块就有必要建立外部页表）
  （页表的表项大小 = log2(物理空间块数)位 = log2(物理空间大小 / 块大小)位，（均上取整））
  （页表占用块数 = 页表的表项大小 x 逻辑空间块数 / 块大小）
  
  

4.6分段存储管理方式

页是物理单位，段是逻辑单位
分段作用：
便于：编程、分段共享、分段保护、动态链接、动态增长

分段思想：

1. 按程序的逻辑结构，将程序的地址空间划分为若干段，各段大小可不相同
   （每个段具有逻辑意义和功能）
2. 内存以段位单位分配，这些段在内存中可以不相邻接

地址结构：

段表：
段表记录了该段在内存中的起始地址和段的长度

地址变换机构：

• 段比页大，因而段表项的数目比页表项的数目少，能减少存取数据的时间
• 越界的两种情况：段号超过段表长度、位移量超过段表中对应记录的段长
  

信息共享：
允许若干个进程共享一个或多个分段
（分段系统的共享比分页系统的更简单更方便）

分页和分段的主要区别：

• 页是信息的物理单位，段是逻辑单位
• 页长度固定，段长度不固定（用户指定）
• 分页的用户程序地址空间是一维的，分段的用户程序的地址空间是二维的（段名+段内地址）

段式管理的优缺点：

• 优点：
  各段可独立编译
  可采用不同的保护措施
  便于共享某些段
• 缺点：
  段长受限制
  段长不定，造成空闲区上内存的浪费
  段作为一个整体调入调出，操作时间长

4.7段页式存储管理方式

分页优点：提高内存利用率
分段优点：方便用户，易于共享、保护，动态链接

段页式系统基本原理：

• 内存分为长度相等的若干块
• 作业分段，段内分页，页长等于块长
• 内存以块为单位分配

地址结构：

段页式表：

地址变换机构：