06第六章 虚存管理技术

操作系统讲义之五
控制寄存器 页表长度 页表起址
p 1
d 120
页号 块号 0 3 1 9 2 3
3100 LOAD 1,1120
9
120 …
9120 6802
9×1000+120 内存
页式管理地址转换示意图
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4. 联想寄存器和快表
联想寄存器：可按内容并行查找的快速寄存器。比内存贵、 联想寄存器：可按内容并行查找的快速寄存器。比内存贵、 容量小。 容量小。 引入原因：页表驻留内存， 引入原因：页表驻留内存，执行访内指令要先到内存查页 进行地址转换后才能进行访内操作， 表，进行地址转换后才能进行访内操作，因此执行一条指 令至少要访问内存两次。 令至少要访问内存两次。 为提高速度，将内存页表（也称慢表） 为提高速度，将内存页表（也称慢表）中一部分经常使用 页的页号和页面号等内容放在联想寄存器中(称为快表 称为快表)。 页的页号和页面号等内容放在联想寄存器中 称为快表 。 进行地址转换时若在快表中能查到， 进行地址转换时若在快表中能查到，就使用快表进行地址 转换。一般说，快表若含有8-15项，则就可达到较高命中 转换。一般说，快表若含有 项 率。
2页
6251
9块
作业2 作业2
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2. 静态页式管理的特点
优点： 优点：
没有外碎片， 没有外碎片，每个内碎片不超过页大小 ■ 一个程序不必连续存放。 一个程序不必连续存放。 由于页的大小相等，内存的分配、回收简单。 ■ 由于页的大小相等，内存的分配、回收简单。
■
缺点：程序要求全部装入内存才能执行。 缺点：程序要求全部装入内存才能执行。
当作业被调入主存时，系统为该作业建立一个页表， 当作业被调入主存时，系统为该作业建立一个页表，撤销时清除页表 (每个作业对应一个页表 。 每个作业对应一个页表)。 每个作业对应一个页表 如下图所示： 如下图所示：
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0 1000 2000 3000 0 100 102 1000 1页 1120 2000 2410 3000 3页 4000 10000 6802 页号 块号 0 2 1 4 7 2 0 1000 2000 3000
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5. 信息的共享和保护
信息共享：允许进程的地址空间在内存中非连续存放， 信息共享：允许进程的地址空间在内存中非连续存放，使得 多个进程可共享某些页面。但共享代码页面受限制。 多个进程可共享某些页面。但共享代码页面受限制。 信息保护： 信息保护：
进行地址转换时，检查是否超页（逻辑页和页表 进行地址转换时，检查是否超页（ 控制寄存器中页表长度相比）， ），但无法检查页内 控制寄存器中页表长度相比），但无法检查页内 超常； 超常； 在页表中设置存取权限项。 在页表中设置存取权限项。
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一个程序的某次运行，常有些部分是不用的 如 一个程序的某次运行，常有些部分是不用的(如：无错误发生时就 不会调用出错处理程序)。所以， 不会调用出错处理程序 。所以，只让最近要用到的那部分程序和 数据装入主存，以后用到哪部分再把哪部分调入， 数据装入主存，以后用到哪部分再把哪部分调入，而把不用部分 调出(暂存外存 暂存外存)。 调出 暂存外存 。 为了完成上述功能，操作系统应负责下面三个方面的任务： 为了完成上述功能，操作系统应负责下面三个方面的任务： （1）把哪部分调入主存； ）把哪部分调入主存； （2）放在主存什么位置； ）放在主存什么位置； （3）主存空间不足时，把哪部分淘汰出去。 ）主存空间不足时，把哪部分淘汰出去。
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4. 分页管理中的地址转换
静态页式管理的另一个关键问题是地址变换。 静态页式管理的另一个关键问题是地址变换。即怎样 由页号和页内相对地址变换到内存物理地址的问题。在页式 由页号和页内相对地址变换到内存物理地址的问题。 管理中， 管理中，地址变换的速度也是设计地址变换机构时必须考虑 的问题之一。 的问题之一。 现以上图的指令 LOAD 1, 1120 为例说明分页管理中的地址 变换过程。 变换过程。 执行LOAD1,1120时，该指令给出的虚地址为 当CPU执行 执行 时 该指令给出的虚地址为1120， ， 首先由地址变换机构自动将该地址分为页号p=1和位移量 首先由地址变换机构自动将该地址分为页号 和位移量 d=120，其转换过程如下图所示： ，其转换过程如下图所示：
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3. 逻辑地址的表示
用户的逻辑地址一般是从基址“ ”开始连续编址。 用户的逻辑地址一般是从基址“0”开始连续编址。在分页 系统中，每个虚地址(相对地址 用一个数对(p,d)来表示，其 相对地址)用一个数对 来表示， 系统中，每个虚地址 相对地址 用一个数对 来表示 表示页号， 表示页内地址 页内偏移量)。 表示页内地址(页内偏移量 中p表示页号，d表示页内地址 页内偏移量 。 表示页号 令A是一个虚地址，页面大小为 则： 是一个虚地址， 是一个虚地址 页面大小为L,则 p=INT[A/L]，d=[A]modL ， 例如： 字节, 例如：设页面大小 L=1000字节 A=3456,则: 字节 则 p=INT[3456/1000]=3 L=[3456]mod1000=456 (见上图 见上图) 见上图
操作系统
0块 1块 2块
作业1 作业1
1， LOAD 1，1120 ADD 1，2410 1，
1， 3100 LOAD 1，1120 1， 3002 ADD 1，2410 页号 块号 0 3 1 9 2 3 4000 5000 6000 7000 8000 9000 9120 6802
3块
0页
4块 5块 6块 7块 8块
● 主存分配原则
系统以页面为单位把主存分给作业， 系统以页面为单位把主存分给作业，每页对应内存中一个 页面，这些页面可以是不相临的或连续的。 页面，这些页面可以是不相临的或连续的。
操作系统讲义之五 ●页式存储管理根据进程的页是否一次全部装入还是部分装入
而分为： 而分为：
静态页式管理－ 静态页式管理－实存管理 动态页静态页式管理
基本原理：要求程序执行前，分配其所需的所有页面， 基本原理：要求程序执行前，分配其所需的所有页面，这些 页不必连续。这意味着内存中有足够的空闲页面才能执行某 页不必连续。 个程序。需要CPU的硬件支持。 的硬件支持。 个程序。需要 的硬件支持
下面图显示静态页式内存使用情况：
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第六章 虚存管理技术
5.1 基本概念 5.2 页式管理 5.3 段式管理 5.4 段页式管理 5.5 局部性原理和抖动问题
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5.1 基本概念
前面所述的各种管理技术统称为实存管理技术， 前面所述的各种管理技术统称为实存管理技术，其特点是在 作业运行时， 作业运行时，必须将整个作业的逻辑地址空间全部装入主存 (除覆盖外 ，当作业尺寸大于主存可用空间时，该作业就无 除覆盖外)， 除覆盖外 当作业尺寸大于主存可用空间时， 法运行。 法运行。 同实存相对的另一类存储管理技术称为虚存管理技术。 同实存相对的另一类存储管理技术称为虚存管理技术。同实 存管理的主要区别是： 存管理的主要区别是：不用将整个作业装入主存就可以投入 运行。 运行。 引入如下一些概念： 引入如下一些概念： 1. 虚拟存储器：是指一种实际上并不存在的虚假的存储器。 虚拟存储器：是指一种实际上并不存在的虚假的存储器。 2. 虚拟地址：把一个运行进程访问的地址称为虚拟地址。 虚拟地址：把一个运行进程访问的地址称为虚拟地址。
本章主要介绍目前广泛使用的三种虚存管理技术： 本章主要介绍目前广泛使用的三种虚存管理技术： 页式管理(静态页式管理和动态页式管理 静态页式管理和动态页式管理) ■ 页式管理 静态页式管理和动态页式管理 ■ 段式管理 ■ 段页式存储管理
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5.2 页式管理
● 实现原理
1. 等分主存 把主存划分成大小相同的存储块，称为页面(或块 ，并给 把主存划分成大小相同的存储块，称为页面 或块)， 或块 各页面从零开始编上序号： ， ， ， 各页面从零开始编上序号：0，1，2，…。 2. 等分作业的逻辑地址空间 将程序的逻辑地址空间也划分若干个与页面大小相同的块, 将程序的逻辑地址空间也划分若干个与页面大小相同的块 称为页。也编上序号0， ， ， 称为页。也编上序号 ，1，2，…。
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3. 实地址：把处理机可直接访问的地址称为实地址。相应的 实地址：把处理机可直接访问的地址称为实地址。 虚地址空间、实地址空间的概念。 有：虚地址空间、实地址空间的概念。 问题： ● 问题： 把虚地址空间和实地址空间分开后， 把虚地址空间和实地址空间分开后，这样虚地址空间可以远 远大于实地址空间， 远大于实地址空间，亦即作业的大小可以远远大于主存空间 的大小。 的大小。 另一个相关问题是：作业运行时，其整个虚地址空间(逻辑 另一个相关问题是：作业运行时，其整个虚地址空间 逻辑 地址空间)是否必须全部装入主存 如果必须的话， 是否必须全部装入主存？ 地址空间 是否必须全部装入主存？如果必须的话，那么虚 地址空间仍然不能大于实地址空间。 地址空间仍然不能大于实地址空间。
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在内存中的表示： 在内存中的表示：
页号 位移量(页内偏移地址) 位移量(页内偏移地址)
p
d
若页面大小为2的幂，逻辑地址转换为页号 和位移量 和位移量d就非 若页面大小为 的幂，逻辑地址转换为页号p和位移量 就非 的幂 常简单(由地址变换机构自动完成 由地址变换机构自动完成)。 常简单 由地址变换机构自动完成 。
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位示图
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（2）空闲页面链 ） 存储页面表的另一种构成办法是采用空闲页面链的方法。 存储页面表的另一种构成办法是采用空闲页面链的方法。 在空闲页面链中， 在空闲页面链中，队首页面的第一个单元和第二个单元 分别放入空闲页面总数与指向下一个空闲页面的指针。 分别放入空闲页面总数与指向下一个空闲页面的指针。 其他页面的第一个单元中则分别放入指向下一个页面的 指针。 指针。空闲页面链的方法由于使用了空闲页面本身的单 元存放指针，因此不占据额外的内存空间。 元存放指针，因此不占据额外的内存空间。