第4部分存储管理-

第4章 存储管理
2．纯分页存储管理的地址重定位问题
纯分页存储管理中的地址重定位是非常重要的， 要使不连续的、分散的用户程序能正常运行，须 采用动态地址重定位。此时，可采用重定位寄存 器方式，如分页太多，则重定位寄存器用得太多。 通常可在内存中为每个作业开辟一块特定区域， 建立起作业的逻辑页与存储块之间的对应表格关 系，这种表常称为页面映象表，简称页表。
源程序经过汇编或编译后，形成目标程序，每个 目标程序都是以0为基址顺序进行编址的，原来 用符号名访问的单元用具体的数据——单元号取 代。这样生成的目标程序占据一定的地址空间， 称为作业的逻辑地址空间，简称逻辑空间。在逻 辑空间中每条指令的地址和指令中要访问的操作 数地址统称为逻辑地址。
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第4章 存储管理 图4.2 作业的名空间、逻辑地址空间和装入后的物理空间
添加了存取控制信息的页表表目如下图所示：
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第4章 存储管理
4.3 虚拟存储器管理
4.3.1 虚拟存储器的概念 4.3.2 请求式分页存储管理与动态地址重定位 4.3.3 现代计算机系统改进的动态地址重定位 4.3.4 页面置换算法 4.3.5 请求式分页存储管理性能分析举例 4.3.6 请求式分段存储管理
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第4章 存储管理
3．常用的分配算法
（1）首次适应算法 （2）最佳适应算法 （3）最差适应算法
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第4章 存储管理 图4.8 最佳适应算法的空闲分区链表组织形式
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第4章 存储管理 图4.9 最差适应算法的空闲分区链表组织形式
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第4章 存储管理 图4.10 内存使用情况
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第4章 存储管理 图4.11 用三种适应算法处理同一作业序列
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第4章 存储管理 图4.14 纯分页存储管理示意图
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3．联想存储器
从上面介绍的地址变换过程可以看出：如果把页表全部 放在内存，那么存取一个数据时，至少要访问二次内存。 一次是访问页表，形成实际内存地址；另一次是根据形 成的内存地址存取数据。显然，这比通常执行指令的速 度要慢得多，使计算机的运行速度几乎降低一半。
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1．空闲分区的组织形式
空闲分区链表的组织是这样的：在每个空闲分区 的起始部分开辟出一个单元，存放一个链表指针 和该分区的大小，链表指针指向下一个空闲分区。 系统中用一个固定单元作为空闲分区链表的链表 头指针，指向第一块空闲分区首地址，最后一块 空闲分区的链表指针存放链尾标志。如图4.7（a） 所示 。
有1k个表目项，分别指出每个次级小页表所在的物理块号和 其他有关状态信息。这样，每个作业有一个页目录（一级页
表），它的每个表目指向一个二级页表。页目录本身也刚好是
一个页面大小（210=1k，每个表目4个字节）。
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第4章 存储管理 图4.19 Windows NT两级页表地址变换示意图
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和大于新作业的内存要求，但却没有单个的空闲区足以 装下该作业。
采用动态重定位的可变式分区管理技术，在执行内存分
配时，如无足够大空闲块，应考虑实现紧凑操作。其分
配算法如图4.12所示 。
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第4章 存储管理 图4.12 采用动态重定位的可变式分区分配算法
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第4章 存储管理
4.2.3 纯分页存储管理
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4.1.3 存储保护
（1）上、下界存储保护：上、下界保护是一种 简单的存储保护技术。系统可为每个作业设置一 对上、下界寄存器，分别用来存放当前运行作业 在内存空间的上、下边界地址，用它们来限制用 户程序的活动范围。
（2）基址—限长存储保护：上、下界保护的一 个变种是采用基址—限长存储保护。
前执行所涉及的信息放入内存中，其余部分可根据需要
临时调入，由操作系统和硬件相配合来完成主存和辅存
之间信息的动态调度。这样的计算机系统好像为用户提
供了一个存储容量比实际主存大得多的存储器，就称为
虚拟存储器。
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4.3.2 请求式分页存储管理与动态地址重定位
请求式分页存储管理与纯分页存储管理在内存块的分配 与回收，存储保护某方面都十分相似，不同之处在于地 址重定位问题。在请求式分页存储管理的地址重定位时， 可能会出现所需页面不在主存的情况，此时，系统必须 解决以下两个问题： （1）当程序要访问的某页不在内存时，如何发现这种缺 页情况？发现后应如何处理？ （2）当需要把外存上的某个页面调入内存时，此时内存 中没有空闲块应怎么办？
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第4章 存储管理
4.3.1 虚拟存储器的概念
（1）程序中往往会有一些彼此互斥的部分。
（2）在一个完整的程序中，会有一些诸如出错处理这样 的子程序，在作业正常运行情况下不会执行这些程序， 没有必要把它们调入内存。
基于程序局部性原理和上述情况，就没有必要把一个作
业一次性全部装入内存再开始运行。而是可以把程序当
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第4章 存储管理
本章学习目标 4.1 存储管理的功能 4.2 实存管理 4.3 虚拟存储器管理 4.4 碎片与抖动问题
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第4章 存储管理
本章学习目标
本章首先介绍了存储管理的研究对象和目的，明 确了存储管理的基本功能和有关的基本概念；然 后从实存和虚存两个角度，分别介绍了常用的几 种存储管理方案；最后对各种存储管理方案存在 的问题，主要是碎片和抖动问题进行了总结。
1．纯分页存储管理中存储块的分配与回收 2．纯分页存储管理的地址重定位问题 3．联想存储器 4．存储保护
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第4章 存储管理
1．纯分页存储管理中存储块的分配与回收
通常有两 种记录空 闲存储块 的方法： 位图法和 链表法。
图4-13 存储块的位图管理法
（a）存储块使用情况
（b）存储块使用情况的位图表示
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第4章 存储管理
4.3.3 现代计算机系统改进的动态地址重定位
（1）如何合理地组织管理相当大的页表？
在Windows NT中，为解决第一个问题，对页表本身进行了改 进，将庞大的页表本身也采取分页措施，采用了两级页表结构。
即把页表本身按固定大小分成一个个小页表，每个小页表由
210=1024个页表表目构成，每个表目占4字节，所以每个小页 表刚好占一个页面（页面大小为212=4kb）。一共有210=1k个 小页表。为了对这1k个小页表进行管理和索引查找，设置了 一个页表目录，也称之为顶级页表或一级页表，该页目录包含
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第4章 存储管理
4.2 实存管理
4.2.1 固定分区存储管理 4.2.2 可变式分区存储管理 4.2.3 纯分页存储管理
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4.2.1 固定分区存储管理
固定分区存储管理是实现多道程序设计的最简单 的一种存储管理技术。其基本思想是，在作业未 进入内存之前，就由操作员或操作系统把内存可 用空间划分成若干个固定大小的存储区，除操作 系统占用一个区域外，其余区域为系统中多个用 户共享，因为在系统运行期间，分区大小、数目 都不变，所以固定式分区也称为静态分区。
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4.1.2 地址重定位
1．内存空间（或物理空间） 2．逻辑空间 3．地址重定位
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第4章 存储管理
1．内存空间（或物理空间）
内存是由若干个存储单元组成的，每个存储单元 有一个编号，这种编号可唯一标识一个存储单元， 称为内存地址（或物理地址）。
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第4章 存储管理
2．逻辑空间
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第4章 存储管理
பைடு நூலகம்本章的主要内容如下：
(1)存储管理的目的和四大基本功能。 (2)实存管理中讲述了固定分区存储管理、可变式 分区存储管理、纯分页存储管理三种存储管理方 案的实现原理 (3)虚存管理以请求式分页存储管理为重点 (4)总结各种存储管理方案中存在的碎片和抖动问 题及解决方法
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（2）面对大的页表，地址的映射怎样才能比较 快地实现？
（1）使用快表：即利用前面我们已介绍的高速 缓冲存储器来存放经常使用的页表表目，以提高 页表的查询速度。 （2）使用高速缓冲存储器：在微处理器和主存 之间设置32kb或64kb的高速缓冲存储器，大部分 的指令和数据取自高速缓存（命中率为98%）， 所以存取数据和指令速度相当高，达到与处理器 速度完全相匹配。
第4章 存储管理 图4.4 界限寄存器的两种存储保护方式
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第4章 存储管理
4.1.4 虚拟存储器
对内存进行逻辑上的扩充，现在普遍采用虚拟存储管理 技术。 虚拟存储技术的基本思想是把有限的内存空间与大容量 的外存统一管理起来，构成一个远大于实际内存的、虚 拟的存储器。此时，外存是作为内存的直接延伸，用户 并不会感觉到内、外存的区别，即把两级存储器当作一 级存储器来看待。一个作业运行时，其全部信息装入虚 存，实际上可能只有当前运行的必需一部分信息存入内 存，其他则存于外存，当所访问的信息不在内存时，系 统自动将其从外存调入内存。
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第4章 存储管理
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第4章 存储管理
3．地址重定位
(1)静态地址重定位 静态地址重定位是在程序执行之前由操作系统的 重定位装入程序完成的。 (2)动态地址重定位 动态地址重定位是在程序执行期间进行的。
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第4章 存储管理 图4.3 静态地址重定位和动态地址重定位示意图
（a）采用静态重定位后的内存空间
（b）采用动态重定位时内存空间 及地址重定位示意图
第4章 存储管理 图4.5 固定式分区内存分配示意图（a）和（b） 固定式分区说明表
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4.2.2 可变式分区存储管理
1．空闲分区的组织形式 2．内存的分配与回收 3．常用的分配算法 4．可变式分区的地址重定位
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第4章 存储管理 图4.6 可变式分区内存使用情况示意图
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第4章 存储管理 如图4.17所示是请求式分页存储管理的存储映像
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第4章 存储管理
为了帮助操作系统对要置换出内存的页面进行选 择，在页表中还可以增加一个引用位，以反映该 页最近的使用情况。 一般来说，一个页表的表目通常可包括如下的数 据内容：
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第4章 存储管理 请求式分页存储管理中的地址重定位和缺页中断处 理过程如图4.18所示。
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第4章 存储管理
4．可变式分区的地址重定位
可变式分区的地址重定位可采用静态重定位，也可采用
动态重定位。如采用静态重定位，因用户作业进入内存 后，程序的逻辑地址实现了重定位，不能在内存中再进 行移动，经过一段时间的运行，内存中不能再分配利用
的小碎片会越来越多。有时可能会出现这种情况，即当 一个作业申请一定数量的内存时，虽然此时空闲区的总
应用联想存储器和页表相结合的方式，可有效地提高系 统动态地址转换的速度，是一种行之有效的方法。
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第4章 存储管理 图4.15 纯分页存储管理地址重定位实现过程
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第4章 存储管理 图4.16 采用快表和页表相结合的分页地址变换过程示意图
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第4章 存储管理
4．存储保护
四种保护方式：①禁止做任何操作，②只能执行， ③只能读，④能读/写，当要访问某页时，先判断 该页的存取控制和存储保护信息是否允许。
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第4章 存储管理
2．内存的分配与回收
当某一个用户作业完成释放所占分区时，系统应 进行回收。在可变式分区中，应该检查回收区与 内存中前后空闲区是否相邻，若相邻，则应进行 合并，形成一个较大的空闲区，并对相应的链表 指针进行修改；若不相邻，应将空闲区插入到空 闲区链表的适当位置。
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第4章 存储管理 图4.7 首次适应算法的空闲分区链表组织形式
第4章 存储管理 图4.1 多级存储器体系示意图
第4章 存储管理
4.1 存储管理的功能
4.1.1 内存的分配与回收 4.1.2 地址重定位 4.1.3 存储保护 4.1.4 虚拟存储器
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第4章 存储管理
4.1.1 内存的分配与回收
内存分配按分配时机的不同，可分为两种方式。 （1）静态存储分配：指内存分配是在作业运行之前各目 标模块连接后，把整个作业一次性全部装入内存，并在 作业的整个运行过程中，不允许作业再申请其他内存， 或在内存中移动位置。也就是说，内存分配是在作业运 行前一次性完成的。 （2）动态存储分配：作业要求的基本内存空间是在目标 模块装入内存时分配的，但在作业运行过程中，允许作 业申请附加的内存空间，或是在内存中移动，即分配工 作可以在作业运行前及运行过程中逐步完成。