软件基础

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固定分区示意图
操作系统
作业A 作业B
50k
分 区
区号 1 2 3
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表
起址 状态 20K 已分 30K 已分 50K 已分
20K 30K
第1分区 第2分区 第3分区 未分区
长度 8K 14K 28K
作业C
8源自文库K
4
76K
80K 未分
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主存“垃圾”
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第 12 页
静态地址重定位
是指在作业执行之前进行的重定位。地址转 换工作主要靠重定位装入程序来完成。这 种方式简单、容易实现，无需硬件的支持， 是早期计算机采用的一种方式。
缺点是：
–程序一经定位后就不能再在主存中移动； –要求作业分配连续的主存空间，主存资源 利用率低； –难于实现主存的资源共享。
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第 19 页
存储空间的分区保护
在多道程序系统的 主存中，为了保护 系统程序的安全， 系统程序和用户程 序实际使用的区域 是隔开的。 这种分割是靠硬件 实现的。用户程序 只能使用用户区域 的存储空间。 主存空间的分区 保护示意图
系统 区域
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用户 区域
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系统区域
硬件隔 离装置
用户区域
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第 21 页
主存空间的扩充
在计算机中，主存总是常数，要想处理 大、多的作业，就要想办法扩充主存的 空间。主导思想是：如何在有限的主存 空间中，处理大于主存的作业。
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“自动覆盖”技术和“虚拟存储”技术 是扩充主存常用的、有效的方法。
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int a; float b; char c;
汇编 或 编译
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图3-7 地址变换示意图
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第 11 页
地址重定位
将一个作业从它的逻辑地址变换成它要装入 的、或要重定位的主存地址的过程。在多道 程序系统中，为了方便用户的使用，对于每 个作业的主存空间可以看成是由地址0开始的 连续的地址空间，称之为逻辑地址空间。但 作业运行是在主存，因此，要进行地址的转 换；称之为 “地址重定位”（地址映射）。 重定位两种方式：静态重定位和动态重定位。
方法要点：
把主存空间划分为若干个连续的区域，建 立空间分区表进行管理。
硬件支持：
增加新的保护装置——边界寄存器LOW、 UP，限制分块的上、下边界。
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方法分类： 采用“固定分区”和“变长分区”法。
第 30 页
固定分区（多连续分区）
在作业前，把主存划分为几个固定大 小的连续区域； 建立一个分配表，记录每个分区的大 小、区号、起始地址、及占用标志等 信息。 在作业调度时，根据作业表来确定程 序的重定位地址。
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作业地址空间
主存空间
•••••• 100
0
100 300 500
INPUT 1，300 1 3 5 7 1 3 5 7 •••••• •••••• 静态 重定位
200 400 600
INPUT 1，400 1 3 5 •••••• •••••• 7
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第 15 页
动态地址重定位
动态地址重定位 是在程序执行过程中进行的重
定位，更确切地说是在每次访问内存单元前才进 行地址变换。它是通过硬件的地址变换机构实现 的。 设置一个重定位寄存器（RR），用来存放装入主 存空间时的起始地址。 作业访问主存空间的地址是由有效地址加重定位 寄存器的地址来确定。
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主存实际地址 = 有效地址 + 重定位寄存器内容
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一、存储器管理
存储器（Memory）能接收数据、保存数据、
而且能根据命令提供这些数据的装置。 存储管理 存储管理是针对内存的。主存是 CPU直接存取指令和数据的设备，所以，它 是系统程序和用户程序共享的重要系统资源。 如何 分配和管理有限的存储资源，是设计 人员甚至用户要研究、考虑的问题。
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第 24 页
固定分区表 编号 长度 始址 状态 1 2 3 4 8KB 20KB 已分 14K 28K 76K 30K 50K 80K 已分 已分 未分 80KB 主存“垃圾” 上一页 50KB 20KB 30KB
操作系统区 进程A（8KB） 进程B（14KB）
进程C（28KB）
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第 25 页
存储管理方法
常用的存储管理方法有： –单一连续区分配法 –多连续区分配法 –分页管理法 –分段管理法
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第 26 页
单一连续区分配法
方法要点：
把主存分为两个固定的存储区域；一个固定 地分配给OS，另一个分配给用户程序。
硬件支持： 引入“篱笆（Fence）寄存器” ，将OS和用
起始地址
状态 操作系统 20K 28K 作业2 44K 可用分区1 可用分区1 作业1
特点：
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作为优点来说，主存“零头”较小（但还有）； 作为缺点来说： –选择剩下的空白区较小，无法使用； –寻找一个较大的空白区费时（从头找起）； –归并主存“零头”，回收时费时。
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多连续区分配法示意图
已 分 配 分 区 表 P 未 分 配 分 区 表 F
区号 长度 1 2 3 4 5 8K 16K ——124K •••• ••
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自由空间
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单一连续区分配法示意图
定位寄存器
2000
1500（逻辑地址））
主存空间
2000 操作系统
CPU
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+
3500 （绝对地址）
用 户 区 域
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自由空间 说明： 绝对地址=基地址+逻辑地址 基地址不同产生的绝对地址就不同。
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多连续区分配法
第9页
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存储空间的地址变换
用户在程序中使用的是符号名，编译系统在产生的目标程 序中使用的是逻辑地址(相对地址),而可执行程序在计算 机中运行时使用的是物理地址(绝对地址)。由程序的符号 名空间到运行时真正使用的物理地址空间转换叫“地址转 换”,也称为程序的重定位。 int a; float b; char c;
外存储器
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存储分配方式
直接分配 在源程序中直接使用主存的物理地
址。对用户要求高、使用不方便、易出错。早 期计算机系统中使用。 静态分配 在作业装入前，由程序一次性说明 作业所包含的地址空间。确定后在整个程序执 行过程中不再改变。简单、利用率低、难于实 现多道程序对资源的共享。 动态分配 在作业被装入主存或在执行过程中， 才确定其存储分配。管理复杂、但利用率高， 容易实现主存的资源共享。在现代多道程序系 统中，主要采用动态分配方式。
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自动覆盖技术
这种方法的主要作法是将大的程序划分 为主存中可以容纳的独立的逻辑处理段。 每次只调入其中的一段进行处理。早期 程序设计中，经常采用类似的方法处理 大的问题。例如，求解大型线性方程组， 就是采用“分块”算法将大的系数矩阵 分为小块矩阵求解的。
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第 23 页
虚拟存储器（Virtual Storage）
第 16 页
动态地址重定位示意图
0 100 300
I 1，300 1357
重定位寄存器
1000 •••••• 0
1100 I 1，300
600
作业A 地址空间
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有效地址
300 +
1300 1 3 5 7 1600
••••••
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主存空间
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0 100
300 500
重定位寄存器 Load 1,[300] 1357 有效地址 300 作业A 地址空间 1000
它的基本思想是把作业的地址空间和物理地址 空间视为两个不同的概念，采用内、外存结合 的办法，把部分外存作为主存使用，以此为用 户提供了足够大的地址空间——虚存空间。用 户可以在这个地址空间内编程，而完全不考虑 主存的大小。 虚拟存储器技术是在硬件和软件的共同支持下 实现的。硬件负责虚实地址的转换；软件负责 实存（主存）和虚存（外存）之间的信息调度 管理。
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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，凡要处理必须装入主 存。如何管理分配存储空间？ 需要考虑和解决的问题： 在多层次存储结构中，如何确定存储位置？ 系统程序和用户程序如何管理？ 大于主存的程序能否运行？ 多道程序处理系统如何管理各个程序的存储空 间？ 如何分配存储器？采用何种分配策略？
固定分区法特点
优点：
管理调度简单、分区策略适合于工作 负荷比较确定的系统。
缺点： 主存”零头”太多，浪费严重；由 此而产生 ”垃圾”回收问题。
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第 33 页
变长分区（多连续分区）
方法要点：
根据需要装入作业的实际大小划分区域，且分 区个数也可以调整；建立两张表：已分配分区 表P和未分配分区表F，来管理主存空间。
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多存储层次结构示意图
CPU 寄存器 高速缓冲存储器 主存储器
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靠近CPU的存储器，存取速度快。 由触发器组成；存放一个Byte ( Bit、Word）
存放主存中程序的副本，再调用 该程序时，从高速缓存读取。
内存储器 用于内、外存之间交换暂存。
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后援存储器 磁盘
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a的逻辑地址 b的逻辑地址 c的逻辑地址
0
a的绝对地址
2FF0
b的绝对地址
3EC0
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c的绝对地址4DAA 源程序符号空间 X 目标程序地址空间 进程的存储空间
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符号名空间
地址空间 a的逻辑地址 0 b的逻辑地址 链接 c的逻辑地址 装配 500
存储空间 a的绝对地址 2FF0 b的绝对地址 3EC0 c的绝对地址 4DAA
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第4页
存储器管理的目的
尽量方便用户 提高主存的利用率
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第5页
存储管理的主要功能
存储分配 主存的分配和回收。为管理主存而
设置的相应的组织机制，记录主存的状态信息、 已分配、未分配块、分配策略等。 存储容量 当用户所需存储空间大于可用主存 容量时，系统采用存储器的多级机制、虚拟存 储、自动覆盖等技术。 地址变换 程序语言的符号地址空间到进程的 物理地址的转换。 存储保护 在多道程序系统中，系统进程和用 户进程间、用户和用户进程间的存储空间的保 护。
••••••
1000 1100
load 1,[300]
1300
1357
••••••
+
1500
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第 18 页
动态地址重定位的特点
目标模块装入主存时无需任何修改，因而装 入之后再移动也不会影响其正确运行，这对 存储管理时解决碎块问题极为有利； 若一个模块由若干个相对独立的目标模块组 成，每个分别装入互不相邻的内存区域，只 要各模块有自己对应的重定位寄存器。这样 便于内存的充分利用和资源的共享。 但是需要附加硬件的支持，增加了系统的开 销。
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第 13 页
静态重定位示意图
作业A的地址空间
0 100 INPUT 1，300
300 1 3 5 7 •••••• 500
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主存空间
••••••
100 200 400 600
INPUT 1，400
1 3 5 7 •••••• ••••••
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作业的逻辑地址100处是一个输入语句,从逻辑地 址300处,读1个记录。重定位到主存空间后，因为 作业从物理地址100处被装入，输入语句的地址按 序被定位在200处，被读记录在400处。
户的使用区域分开。
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用户程序定位（地址转换）方法： 采用“静态”法和“动态”法；前者是在程序
装入前，一次性定位，之后不再改变。后者是 采用硬件的定位寄存器，在程序执行过程中实 现动态定位。
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单一连续区分配法示意图
特点：
定位容易，使用简单 但在多道程序处理 情况下，主存资源 利用率低，浪费大。 已分配空间 用户 区域 OS 区域
第9单元 存储器与设备管理
软件基础
The Fundamentality Of Software
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主讲：刘志强
西安交通大学 计算机教学实验中心
教学目标
了解存储器与设备管理的 概念、任务及采用的方法和技术
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第2页
学习要求
通过本单元的学习，了解、弄清、掌握： – 存储器与设备管理的概念、目的、任务 – 功能、存储分配、地址重定位、虚拟存储器 – 存储器与设备管理的常用方法和技术 – 单一连续区、多连续区、页式、段式等管理 方法 – I/O设备的分类及用途 – I/O设备与CPU的通信方式 – 循环测试、中断、DMA、通道方式 – 设备分配、管理的常用方法和技术 – SDT、DCT、COCT、CHCT表在设备管理机 制中的作用