第五章存储器管理

这样就把程序的执行速度降低一倍。 为了提高存取速度，在地址变换机构中增设一组寄存器，用来 存放访问的那些页表。把存放在高速缓冲寄存器中的页表叫快 表，这个高速缓冲寄存器又叫联想存储器。 具有快表的地址变换机构如下图：
页表地址寄存器
页表长度寄存器
逻辑地址
b
l
页号p
页内地址d
+
页表
比较
P>=l
31
12
11
页号p
页内地址d
地址结构 （3）页表：页面映射表（PMT），包括页号和块号两项，主要作用实现从页号到 物理块号的映射。 注意：给定一个逻辑地址，会通过页表查找并计算它所对应的物理地址。
分页的基本原理
0页 页号 块号
1页
2页 3页 4页 … N页 用户 程序
0
1 2 3 4 …
4
7 3 5 2 …

最佳适应算法
将所有的空闲分区按照大小递增的顺序形成一空闲分区链。然后，从 头开始找，第一次找到的满足条件的，肯定是最佳的。
最坏适应算法 分配内存 回收内存

分区分配操作
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2.4动态重定位分区 1）紧凑 将内存中的所有作业进行移动，使它们相邻接，将原来分散的小分区便拼 凑成一个大分区。这种通过移动，把所个分散的小分区拼接成大分区 的方法称为拼接或紧凑。 2）动态重定位 由于紧缩过程中作业在内存中要移动位置，地址改变，采用动态重定 位很好地解决这个问题。 动态重定位采用硬件来实现，一个基址寄存器，一个限长寄存器。
分区号
1 2 3
分区大小
50 26 40
分区地址
75 170 275
状态
空闲 空闲 空闲
分区分配算法
首次适应算法 该算法要求空闲分区链以地址递增的次序链接。 在进行分配的时候，从链首查找，找到满足其 大小的空闲分区为止。然后，进行分配，余下 的空闲分区留在空闲链中。 循环首次适应算法 是首次适应算法的演变。分配内存空间时，不 从空闲分区链的链首查找，而是从上次找到的 空闲分区的下一个开始找。
通过页表实现页面映射
4.2地址变换机构－（1）基本的地址变 换机构
页表寄存器
页表地址
页表长度
越界判断
逻辑地址 页号 页内地址
0 1 2 3
块号 块号 块内地址
8
页表
(2)具有快表的地址变换机构
因为页表是存放在内存中的CPU要存取一个数据，需访问主存两 次。第一次：访内存中的页表，找到该页的的物理块号，将此 块号与页内地址拼结形成物理地址；第二次：真正访问该物理 地址，存取其中的内容。
3.虚拟存储器的概念
（1）局部性原理 • 程序局部性原理是指程序在执行时将呈现出局部性规律，即在 一较短时间内，程序的执行仅局限于某个部分。相应地，它所 访问的存储空间也仅局限于某个区域。 1）时间局部性。产生时间局部性的典型原因是在程序中存在 着大量的循环操作。 2）空间局部性。典型的情况是程序的顺序执行。 （2）虚拟存储器的定义 • 基于局部性原理，应用程序在运行之前并不必全部装入内存。 • 我们将这种具有请求调入功能和调换功能，能从逻辑上对内存 容量加以扩充的存储器系统称为虚拟存储器。
4.分页存储管理
针对连续分配方式形成较多碎片的问题，产生了离散分配方式，根据分配时所 用的基本单位的不同，又可分为三种：分页存储、分段、段页式。 4.1 分页存储管理的基本方法 （1）页面：把逻辑地址空间划分为一些相等的片，称为页面或页。每页有一个编 号称为页号。页面大小由硬件确定的，一般选择为2的若干次幂。 （2）块：内存空间也划分为与页面同样大小的存储块，称之为物理块或页框。
第五章 存储器管理
主讲教师:燕孝飞
一、主要内容
存储管理的基本概念 早期的存储管理方式 虚拟存储器 分页存储管理 请求分页 分段存储管理
1.存储管理的基本概念
1.1程序的装入 把目标模块装入内存时，可以采用三种方式： 1）绝对装入方式：由装入程序根据装入模块 的地址，将程序和数据装入内存。 2）可重定位方式：装入程序根据内存当时的 实际使用情况，将装入模块装入到内存的适 当地址。 3）动态运行时装入：程序运行时才将装入模 块中的相对地址转换为绝对地址。
（3）实现虚拟存储器的物质基础 1）一定容量的主存 2）大容量的辅存 3）动态地址变换机构 虚存的容量受字长、传送速度、使用频率的限制，其最大容量由计 算机系统的地址单元确定。 实现虚存的方案有：分页式虚存（请求分页）；分段；段页式。 （4）虚拟存储器的特征 1）离散性 2）多次性 3）对换性 4）虚拟性
1.存储管理的基本概念
3）名空间：源程序中由符号名组成的空间。 4）重定位：将进程地址空间中的逻辑地址转 换为存储空间的物理地址的过程即为地址重 定位，简称重定位。 5）静态重定位：是指在程序运行之前由装入 程序完成重定位的过程。 6）动态重定位：是指在程序执行过程中由硬 件地址变换机构实现的重定位过程。
5.3调页策略 （1）请求调页策略 当进程在运行中需要访问某部分程序和数据时，若发 现其所在的页面不在内存，便立即发出缺页中断， 请求将所需页面调入内存。 （2）预调页 将那些预计在不久之后便会访问的几个页面预先调入 内存。 （3）抖动 主存中刚刚移走某页后根据请求马上又调 入该页。这种反复进行入页和出页的这种现象称为 “抖动”，也叫系统颠簸。
（4）Clock置换算法 是LRU算法的近似方法，比较容易实现，而 且开销较小。 它在存储分块表的每个表项增加一个引用位， 操作系统定期的将它们置为0，当某一页被 访问时，由硬件将该位置1。将位为0的淘汰 出去。
（5）其他置换算法 1）最少使用置换算法 2）页面缓冲算法
6.分段存储管理
地址越界
快表
p
p’
p’
...
P’
物理地址
d
5请求分页存储管理
5.1请求分页的基本原理 （1）页表机制 请求分页系统对地址空间和内存空间的管理采用与 基本分页系统相同的方式，但它只要求将作业的部分页面装入 内存，便可以开始运行，其余作业在外存，所以，要在页表中 增加若干项。
（2）缺页中断 在地址映射过程中，在页表中发现所要访
2.5 对换 对换（Swapping，也称交换）技术，最早用在麻 省理工学院的兼容分时系统CTSS中。 所谓对换，是指把内存中暂不能运行的进程，或暂 时不用的程序和数据，换出到外存上，以腾出足够 的内存空间，把已具备运行条件的进程，或进程所 需的程序和数据，换入内存。 对换是提高内存利用率的有效措施。
问的页不在内存，则产生缺页中断。操作系统接到此 中断信号后，就调出缺页中断处理程序，根据页表中 给出的外存地址，将该页调入内存，使作业继续运行 下去。
（3）地址变换机构 在分页系统的地址变换机构的基础上需要增加某些功能，如状态位， 中断，调页，替换等。 5.2 页面分配和置换策略 在请求分页系统中，可采取两种内存分配策略，即固定分配和可变 分配策略。进行置换的时候，也可以采用两种策略，即全局置 换和局部置换。于是，可组合出以下三种适用的策略。 （1）固定分配局部置换（Fixed Allocation,Local Replacement） （2）可变分配全局置换(Variable Allocation,Global Replacement) （3）可变分配局部置换(Variable Allocation,Local Replacement)
（2）先进先出法(FIFO) 最简单的页面置换算法是先进先出法.这种 算法的实质是:总是选择在主存中停留时间 最长(即最老)的一页淘汰,即先进入内存的页 先被换出内存. FIFO页面置换算法容易理解和进行程序设 计,然而它的性能并非总是好的.这种算法仅 当按线性顺序访问地址空间时才是最理想的; 否则,效率不高.
5.4页面置换算法 （1）最佳置换算法 最佳置换算法（Optimal Replacement）是 1966年由Belady在理论上提出的一种算法。 其实质是：当调入新的一页而必须预先淘汰某个老 页时，所选择的老页应该时在将来不再被使用，或 者在最远的将来才被访问的。 使用这种算法保证最少的缺页率，但是实现是很困 难的。
6.3段式管理的特点 （1）优点：消除了碎片；提供了大量的虚存；可动态增加段长； 便于动态装入和链接；可共享一个程序；便于实现存储保护。 （2）缺点：地址变换和靠拢需要占用CPU时间；表格需占存储空 间；在外存上管理可变长度的段比较困难，段的最大长度受限 制；会出现系统抖动现象。 6.4 分页和分段的比较 分页系统和分段系统有许多相似之处，比如：都采用离散分配来提 高内存的利用率，都要通过地址变换机构来实现地址变换。但 概念上两者是完全不同的，主要区别表现在以下三个方面： （1）页是信息的物理单位，系统管理的需要；段是信息的逻辑单 位，用户的需要。 （2）页的大小固定且由系统确定，一种系统的页面大小固定。段 的长度不固定，决定于用户所编写的程序。
分区号
1 2 3 4
大小（KB） 开始地址 （KB） 25 20
35 50 70 45 80 130
状态
正使用 正使用 正使用 未使用
固定分区分配的缺点：固定分区法管理方式简单，但 内存空间利用率不高，有时浪费情况会相当严重。 2.3动态分区分配 为了实现分区分配，系统要设置相应的数据结构来 记录内存的使用情况。数据结构有： 1）空闲分区表 2）空闲分区链 空闲分区链是使用链指针把所有的空闲分区链接 成一条链。每个分区的开头要设置状态和表示分区 大小的项目。而且要设置前指针和后指针。
（3）最近最久未使用置换法（LRU） 以最近的过去来作为不久将来的近似。 它的实质是：当需要置换一页时，把在最近一段时 间里最久没有使用过的页面予以淘汰。这就是最近 最久未用算法。 LRU算法比OPT效果差，但是比FIFO好得多。 LRU算法是经常采用的页面置换算法，实现起来需 要实际硬件的支持。每个页表项应该对应一个“使 用时间寄存器”。