浙江大学城市学院 操作系统chapter4分解

存储保护
• 在分区存储管理方式中，系统区存放着操 作系统的程序和数据，用户区的每个分区 存放着一道用户作业。
• 存储保护的任务就是防止用户访问内存的 系统区，也不准一个用户访问其分区以外 的其它分区。
• 分区管理方式常用的存储保护方法：
– 界地址法 – 保护键法
存储共享
• 在多道程序系统中，任何保护机制必须具 有一定的灵活性，以便允许多个进程访问 主存的同一部分。
第四章 存储器管理
本章摘要
• 如何对存储器实行有效的管理，不仅直接 影响到存储器的利用率，而且还对系统性 能有重大影响。
– 介绍有关存储管理的基本概念， – 几种常用的存储技术 – 比较常用的存储技术的优缺点
存储层次结构
• 存储系统设计是计算机体系结构设计的关键问题之 一
– 价格，容量，速度的权衡
• 当一个进程执行结束后，管理模块需要及时回收它 所占用的内存空间。为了使操作系统随时掌握内存 空间的使用情况，系统应设有特定的数据结构用以 记录内存区的分配情况。
• 当用户提出存储空间申请时，存储管理模块按一定 策略从该结构中找出符合申请者要求的空闲区进行 分配。若需要归还内存空间时，及时将这些空间回 收回来。
静态重定位示意图
JMP 40
0010 op 1010 op 0011 00 1011 10 0012 40 1012 40
LOAD r1,[500]
0040 op
0041 01 0042 05 0043 00
1040 op
1041 02 1042 15 1043 00
重定位项表
0011 0042
– L1（32K指令+32K数据） – L2（256K） – L3（3M-8M）
• 内存：2G-8G容量，2ns-3ns • 硬盘：
– 传统硬盘，容量是为500GB-3T， 7200转/分 – 笔记本电脑一般500G，5400转/分 – 固态硬盘 SSD，容量128G-256G
内存定义
• 内存
– Main Memory（或Primary Memory或Real Memory）也称主 存，
– CPU能直接存取指令和数据的存储器
• 主存速度快，但容量有限。 • 存储管理主要是对主存的管理，同时也涉及到主存和外存交
换信息
内存在计算机系统中的地位
存储管理的主要功能
• 内存空间
– 系统区：存放OS本身的程序和信息； – 用户区；存放用户的程序和数据等。
• 存储管理的功能是针对用户区的存储空间进行 有效管理
(2X/10 yrs)
Time
5
100,000
10,000
Performance
1,000 100
Proces s or
10
1 1980
1985
Mem ory
1990
1995 Year
2000
2005
2010
层次型存储体系
CPU Registers
Executable Memory
Cache Memory Primary Memory
地址重定位
• 用户作业调入内存空间时所处 的位置是根据内存空间当时的 状况决定的。
• 一般情况下，同一个程序在每 次调入内存时所占用的位置是 完全不同的。
• 为了保证程序在使用内存的不 同区域时仍能正确地执行，必 须把在程序执行时要访问的存 储单元的位置，由用户在编制 程序时所定的地址变换成它们 在内存的实际地址。
–这种算法实现简单，存储分配的速度快。
• 最佳适应算法BF(Best Fit)：
–从内存所有空闲区中找出能满 足作业请求 容量的最小空闲区。
–这种算法比FF算法对内存空间的利用较好， 浪费的空间最少
2M 新进程放哪里呢？
5M
8M
Last
allocated
7M
block
6M
First-fit：按照分 区的顺序选择第 一个可以满足作 业请求容量的空 闲区。
等分
以系统可以同时运行的最大作业道数
就是内存分区的数量。
• 在固定分区管理下，内存分区的数量 、分区的大小、分区的位置以及可容 纳的作业道数都是固定不变的。
8M 4M 8M
12M
非等分
固定分区采用的分配策略
• 最先适应算法FF(First Fit)
–按照分区的顺序选择第一个可以满足作业请 求容量的空闲区。
动态重定位
• 动态重定位是在程序执行期间，每次访问内存之前进行 重定位。
• 这种变换是通过“重定位寄存器”来实现。 • 当存储管理系统为程序分配一个内存区域后，就把该区
的起始地址放到重定位寄存器中。 • 程序的物理地址是逻辑地址和重定位寄存器的内容之和
。 • 优点：
– 程序占用的内存空间动态可变，不必连续存放在一起。 – 比较容易实现几个进程对同一个程序副本的共享使用。
• 用户对存储器的“容量，价格和速度”要求是相互 矛盾的
– 速度越快，每位价格就高 – 容量越大，每位价格就低 – 容量越大，速度就越慢 – 目前主存一般由DRAM构成
• Microprocessor与Memory之间的性能差异越来越大
–CPU性能提高大约60%/year –DRAM 性能提高大约 9％/year
Next-fit：在上次 分配位置后找第 一个可以满足作 业请求容量的空 闲区。
Best-fit：从内存 所有空闲区中找 出能满 足作业请 求容量的最小空 闲区。
内部碎片
• 一个分区分配给某个作业后，由于分区的大小 和作业的大小不可能完全相同，一般情况下在 分区内总是留有一些未使用的区域。
• 由于这些空闲区域处于一个分区的内部，其它 作业不能利用。
．．．．．． ．．．．．． 40 LOAD 1,[500] ．．．．．． ．．．．．． 500 1234
1000 1010 1040 1500
存储空间 ．．．．．． ．．．．．． JMP 1040 ．．．．．． ．．．．．． LOAD r1,[1500] ．．．．．． ．．．．．． 1234
< 15GB (per device) 25 usec – 1 sec
Sequential Accessed Memory
< 5GB (per tape) seconds
现代计算机系统的多级存储层次
• 应用程序局部性原理: 给用户
– 一个采用低成本技术达到的存储容量（容量大，价格低） – 一个采用高速存储技术达到的访问速度（速度快）
• 为完成同一个任务的多个合作进程可能需 要共享访问同一个数据结构。
• 存储器管理系统必须允许对存储器共享区 域的受控访问，而不会损害本质上的保护 作用。
单一连续存储区管理
• 总是把内存的用户区视为一个独立的连续存储区 域，任何时刻只将它分配给一个作业使用。
• 这是一种最早出现的存储管理方式。 • 在内存中仅驻留一道程序，整个用户区用户唯一
1000
“Moore’s Law” (really Joy’s Law)
µProc CPU 60%/yr.
(2X/1.5yr)
100 10
1
“Less’ Law?”
Processor-Memory Performance Gap: (grows 50% / year)
DRAM DRAM 9%/yr.
a = 0; a
mov [100],0 100
RAov [100],0 200
静态重定位
• 静态重定位是在目标程序装入内存时，由装入程序对目标程序中的指 令和数据的逻辑地址进行适当调整，转换成内存的物理地址。
• 对每个程序来说，这种地址变换只是在装入时一次完成，在程序运行 期间不再进行重定位。
• 优点：
– 由于在程序执行前就完成了地址变换，所以程序执行的速度较快。 – 不需要硬件的支持，在硬件简单的机器中易于实现。 – 无需增加硬件地址转换机构，便于实现程序的静态连接。
• 缺点：
– 程序经地址变换后，就不能在内存中移动了。 – 要求程序的存储空间必须是连续的，不利于存储空间的充分利用。 – 各个用户进程很难共享内存中的同一程序的副本。
• 按照分区方式分为
– 固定分区方式 – 动态分区方式 – 伙伴系统
固定分区
• 固定分区管理是在用户作业装入内存
8M
之前，事先由操作系统或操作人员把
内存的用户区划分成若干个大小不等
8M
的分区。
• 分区一旦划分后，在系统运行期间就
8M
不能再变动，所以它们称为固定分区 ，或静态分区。
8M
• 由于一个分区只能存放一个作业，所
独占。但只能用于单用户、单任务的操作系统中 。 • 由于一个作业实际只占用用户区的一部分，其余 部分被浪费，因此内存利用率较低。
分区管理
• 为支持多道程序运行而设计的一种最简单 的存储管理方式。
• 在这种方式下，除了操作系统占用某个固 定分区以外，其余内存供多个用户程序使 用，并且把空间划分为多个存储分区，每 个分区装入一个用户程序。
~500 Bytes 1 clock cycle
<10MB 1-2 Clock cycles
<1GB 1-4 Clock cycles
Secondary Storage
Rotating Magnetic Memory Optical Memory
< 100GB (per device) 5-50 usec
Performance
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Processor-DRAM Memory Gap (latency)
– 将逻辑地址转换成内存的物理地址的过程 – 静态重定位、动态重定位
名字空间 ．．．．．． ．．．．．． A: JMP B ．．．．．． ．．．．．． B:LOAD r1,D1 ．．．．．． ．．．．．． D1: 1234
地址空间 0 ．．．．．．
．．．．．． 10 JMP 40
– 包含分区号、分区大小、分区起始地址及状态等条 目。
• 空闲分区链
– 为了实现对空闲分区的分配和链接，需要通过链指 针把所有的空闲分区链接成一条链表
– 在每个分区的起始部分，设置状态位、表示分区大 小的项目以及用于链接各分区的前向指针。
分配算法
• 最先适应算法FF(First Fit) • 最佳适应算法BF(Best Fit) • 邻近适应算法NF(Next Fit) • 最差适应算法WF(Worst Fit)：
CPU Register
Speed (ns): 0.25ns Size (bytes): 500B
C A C H E
1ns
64KB
MEMORY
100ns 1GB
I/O device
10ms 1TB
计算机典型配置
• CPU：多核多进程，主频不再是速度唯一指标 • CPU寄存器：以堆栈形式存在，字长64位 • Cache:
• 缺点：
– 需要附加硬件支持，增加了机器成本， – 实现存储管理的软件算法比较复杂。
动态重定位示意图
0 …
50
LOAD 1,400
…
400
0x0023
…
地址空间
重定位寄存器 3000
0
3000
400
+
3050
3400
…
… LOAD 1,400
… 0x0023
…
内存空间
内存的分配和回收
• 在多道程序环境中，当系统需要装载一个用户程序 时，调度程序将存储管理模块启动起来，按照某种 方式分配存储空间，并将程序代码装入。
• 在固定分区方式中，一个分区分配给作业后， 分区内未使用的空闲区称为“内部碎片”。
内部碎片
8M
OS
8M
Process A (8M)
Process
8M
B (5M)
5M的进程分配了8M的分区 ，将浪费3M内存，这3M不 能被别的进程使用，称为内 部碎片。
8M
Process C (10M)
即使系统内有足够的空 闲空间（11M），10M
的进程仍无法运行。
动态分区
• 指导思想
– 系统不事先划分分区，而是在装载一个进程 的时候，根据进程的大小划分一个分区供其 使用
– 不会出现内部碎片问题。
作业号 请求容量 运行时间
1
40K
40秒 4
2
100K
10秒
5 6
3
60K
5秒
30K
20秒
40K
30秒
70K
15秒
数据结构
• 空闲分区表
– 用于为内存中每个尚未分配出去的分区设置一个表 项，
• 管理四个方面：
– 地址重定位 – 内存的分配和回收 – 存储保护 – 存储共享
地址和重定位
• 相对地址或逻辑地址：
– 用户程序经编译后的每个目标模块通常都是从0为基 址开始顺序编址
– 逻辑地址是面向用户的
• 绝对地址或物理地址：
– 内存中各物理存储单元的地址是从同一的基地址开 始顺序编址的
• 重定位