第四章 存储管理

空闲分区链：为每个空闲区创建一个信息结点，并将这 些结点构造成一个空闲分区链。每个结点被设臵成分区 状态，分区起始地址分区大小，以及构成链的前后方向 指针。
操作系统的全局 指针－空白分区 链首free 68KB 8K 空闲 96KB 64K 空闲 240KB 16K 空闲
0 40KB
操作系统
作业5（28KB） 作业2（20KB）
3.内存共享
内存共享：内存允许同时有多个程序在运行－多个进程，它们 可能调用相同程序段或使用同一数据体，从而节省内存空间， 减少内外存的数据交换，提高系统的效率
4.存储保护
（1）上下界限保护
M-1 U 上界寄存器 D 下界寄存器 内存 D 0 内存 U 进程i L 限长寄存器 B 0 B 基址寄存器 进程i L M-1
计算机操作系统
Computer Operating System
第四章 存储管理
4.1 存储管理概述
4.2 分区式存储管理
4.3 分页式存储管理
4.4 请求分页存储管理 4.5 分段存储管理 4.6 段页式存储管理
4.1 存储管理概述
4.1.1 内存概念与存储器层次 计算机系统由计算子系统、存储子系统、I/O子系统 组成。 内存用于存放操作系统内核、用户程序指令与程序 运行所需数据。
6.物理组织
计算机的存储器至少由两层组成：内存与外存。 内存：价格较高，存储速度快，处理机可以直接访 问，不能提供程序的持久存储 。 外存：价格低，空间大，提供对程序与数据的永久 存储，不易丢失 。 存储器二层模型优点： ①由于模块运行的不同时，用户的不同模块可以 由系统放臵于同一内存区域，这样可以解决内存 不足，使有限内存提供更大服务可能。 ②由于逻辑地址与物理地址无关，用户程序员编 程只要在逻辑空间进行，不管程序最终装入内存 的位臵，使得编程较为单纯。
（2）最佳适应算法
最佳适应算法是将作业放于容量大于要求的所有 空闲分区中最小的空闲分区中，与本算法相一致 的空闲分区链的组织方式是按空闲分区的大小从 小到大来链接的。这样当分配一个空间时，首先 从全局的首指针free开始，找到的第一个空间大 于所需值的分区即是分配后产生剩余空间最小的 空闲区 。 Free
动态重定位过程
5000 5100 mov r,2500 处理器的重 定位寄存器 5000
＋ 7500 234
动态重定位的过程
优点： ①程序装入后，再在内存移动时，只要修改其PCB中的起始 地址，则重定位依然能正确运行，这为存储空间紧缩与内存 碎片处理提供了可能。 ②系统程序由多个目标模块组成，可以分块装入，只是在 执行到某个模块时将其起始地址送重定位寄存器RR即可正确 重定位。这使一个程序在内存不一定需要连续的内存空间， 有利于充分利用内存。 ③多个进程共享程序或数据段时，可以只要一个副本。只 要建立多个进程的共享模块的起始地址到该唯一副本的起始 地址的对应关系表，就可以正确实现重定位工作。
Free
96KB 64KB 空闲 240KB 16KB 空闲 68KB 8KB 空闲
0 40KB
操作系统
作业5（28KB）
8KB
作业2（20KB）
作业6（14KB） 50KB
作业4（80KB） 256KB
作业6装入
16KB
最坏适应算法的实现
（4）下次适应算法 下次适应算法中空闲分区按地址从低到高组织，但它的 尾部会再回到低地址的一端形成一个环形链，系统增加 一个上次分配分区的指针。每次分配时总是将作业放入 从上次分配分区指针开始沿着环方向的下一个合适的空 闲分区。 Last
4.2 分区式存储管理
4.2.1 固定式分区 固定式分区是操作系统初启（正式创建用户进程之 前）时，由操作系统事先设定或由系统操作员确定， 将内存区域划分成若干分区。分区的个数，各分区 的大小一旦确定，则整个操作系统运行阶段都保持 不变。固定式分区也称为静态分区。 分区说明表：是存储管理程序实现管理工作的依据， 它在内存分配、释放、存储保护以及地址转换时都 要查询与修改表中的信息。
～
0 10240 (10KB) 逻辑地址 mov r,2500 mov r,2500
2500
～
限长寄存器LR 基址寄存器BA
4KB 10KB
Y 2500 12740 234 地址越界中断 234
小于LR
＋
4KB 逻辑地址空间 ～ 内存 ～
物理地址
分区式管理的地址变换
4.3 分页式存储管理
4.3.1 页面与物理块 首先将内存空间划分成固定大的相等大小的小区域， 这些小区域被称为内存的物理块或块。 从地址0开始递增编号，当系统为一个作业分配内存 前，也将作业的逻辑地址空间划分成若干与内存块 大小相等的区域，称为页或页面。 用户程序中的逻辑地址被理解成为由相对页号与页 内有偏移地址两部分组成：页号+页内地址。
固定分区的说明与使用情况
4.2 分区式存储管理
4.2.2 可变式分区 1.概念 可变式分区是指内存分区的情形（分区数、各分区 的大小）是可以变化的，而不像固定式分区那样， 在系统初启时已经确定而不能改变。 可变式分区是在操作系统运行期间装入用户程序时 划分的，所以可变式分区又称为动态分区。
0 40KB
7.虚拟存储器
虚拟存储器是指具有请求调入功能和臵换功能， 能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储系 统。它不是一个实际的物理存储器，而是一个容 量可以非常大的存储器的逻辑模型，在该模型的 支撑下，把程序的一部分装入内存便可以执行。 特点：
① 虚拟的: 大小由OS决定 ② 逻辑模型: 概念,原理,技术解决方案, 具体实现 ③部分执行
256KB-1
区号 1 2 3 4 5 区域大小 10K 20K 20K 50K 106K 50KB 60KB 80KB 100KB 150KB 起始地址 使用状态 已分配 已分配 未分配 已分配 未分配
106K 150KB 50K 100KB 80KB 60KB 50KB OS 0 20K 20K 10K 50K
界限寄存器的存储保护 (a)上下界限寄存器保护 (b) 基址、限长寄存器保护
（2）存储键保护 为每个进程的连续存储区域分配一个若干位组成的存储保护 键（钥匙）。
程序状态字PSW 保护键(钥 匙)
保护键 (锁)
相同 N 存储保护 出错
Y 访存
内存
存储保护键的内存保护
5.逻辑组织
计算机系统中的内存被组织成一维的地址空间， 它由一系列以字节为单位的存储单元组成。 优点： ①以模块单独编写与编译，所有关于此模块的引 用就可以放在该模块运行时由操作系统来解决， 这样可以方便程序的编写与功能分解。 ②可以按模块的特性赋以不同的保护特征有利于 软件的保护。 ③模块的使用符合用户看待问题的思路，使其共 享变得自然。
装入作业1，2，3，4
作业5装入
可变式分区的内存变化情况
2.可变式分区的放置算法
空闲分区表：内存中的一个空闲分区对应于空闲分区表 中的一行。它包含：区号、分区大小、分区起始地址以 及分区使用状态 。空闲分区表如下所示:
序号 1 2 3 分区大小 8KB 64KB 16KB 起始地址 68KB 96KB 240KB 使用状态 空闲 空闲 空闲
0 200 mov r,2500 0KB
......
页号 1KB 0 1 2KB 2500 234 2 3 8 4 8KB 作业2的页表 （在内存） 16KB 作业2的逻辑地址空间 物理帧 3KB mov r,2500
4KB 234
......
3KB
......
内存
内存的分页和页表
4.3.3 分页式系统的地址转换
操作系统
0 40KB
操作系统 作业1（36KB）
作业2（20KB）
0 40KB
操作系统
0 40KB
操作系统
作业5（28KB） 作业2（20KB）
作业2（20KB）
作业3（64KB）
作业4（80KB） 256KB
系统开始
作业4（80KB） 256KB 256KB
作业1，3完成
作业4（80KB）
256KB
4.1 存储管理概述
4.1.2 存储管理 1.内存空间管理 内存空间管理系统首先要记录内存的各级分配单元 的使用状态，负责内存区域的分配与回收。根据不 同的分配方法，大的内存区域分割成大小不同的子 区域以适应不同的用户对内存的请求，因此系统要 记录这些区域的位臵划分和使用情况，系统负责响 应用户请求，以适合的空间分配给它，并修改使用 状态来反映当前系统的状态。 2.重定位 重定位：由相对地址到物理地址的地址转换。 （1）静态重定位 静态重定位是在程序运行之前进行重定位的一 种地址变换方式 （2）动态重定位 动态重定位是指虚－实地址变换是在程序运行 过程中通过硬件来实现的。
作业6（14KB）
作业4（80KB） 256KB
作业6装入
可变分区的空闲分区链
放臵算法介绍 （1）首次适应算法 首次适应算法是将作业放臵到主存里大小足以 放下作业，且地址最小的空闲分区中。当选中 的分区空闲大于作业所需的空闲时，将原来的 分区分割成两个区域：其中一个分区大小等于 作业所需的空间，剩余的空间作为空闲分区。 若系统用空闲分区链来管理的话，空闲分区链 中的各结点按照地址从小到大来组织。 优点： 优先保证了低地址的空闲区被使用，而使高地 址端的空闲区较大，以满足大空间的要求。
地址总线 数据总线 CPU I/O接口 内存 CPU
I/O系统
内存
I/O设备
设备
源自文库计算机系统中内存的位置
1.存储层次
存储层次：采用不同的存储介质来存取系统中不同频度 的信息，使这些存储器有机的联系形成一个体系 。
cache
访 问 频 度 变 大
内存
容 量 增 大
速 度 增 快
价 格 变 贵
外存
存储层次关系 图
0KB
页0
1KB
页1
1042 1042
000001 0000010010
页号 页内地址
1
18
2KB ...... 逻辑地址空间
逻辑地址空间的分页
4.3.2 页表
分页式系统中，一个完整连续的逻辑地址空间被分割成 大小相等的页面被分布到内存中分散的若干块上，系统 为了掌握各个页面被具体放臵的物理块，为每个进程建 立一张页表 。 页表的表目由页号和物理块号组成，它实现了从逻辑的 页号到物理的块号的映射。它反映了该作业逻辑地址空 间的每个页面在物理内存的存放位臵。
一个作业一旦被装入内存，它的页表也就由系统创建。 利用页表，系统动态地进行重定位工作。分页系统的分 页机构可以将逻辑地址分割成页号与页内地址。
PCB
mov r,2500
0 页表首址
0 200
页号 页内地址 P W
2 3
0KB
......
3KB mov r,2500
1
处理机的 页表寄存器
1KB
B
W
4KB 234
......
2KB 234 3KB 作业2的逻辑地址空间
4
页号 0 1 2
帧号 3 8 4
8KB
......
16KB
作业2的页表
内存
分页系统的地址变换示意图
4.3.4 采用快表的地址转换
为提高地址变换的速度，很多系统增加了一个高速缓冲 存储器，它由处理机速度相近的半导体存储器构成，具 有并行查询能力，这种存储器称为联想存储器 。 快表：系统通常将页表中当前访问的那些表目放于联想 存储器，这个部分的页表称为“快表”，
68K 8K 空闲 240K 16K 空闲 96K 64K 空闲
0 40KB
操作系统
作业5（28KB） 作业2（20KB）
8KB
64KB
最佳适应算法的实现
作业4（80KB）
作业6（14KB） 2KB
作业6装入
（3）最坏适应算法 最坏适应算法是将作业放入空间大于分区需求的最大空 闲分区中，原来的空闲分区被分成一个大小正好适用的 分区和一个相对最大剩余的空闲分区。 采用最坏适应算法的系统中空闲分区链按空间从大到小 顺序组织，这样从首指针开始找到的可用第一个结点就 对应了最大空闲分区。
Free
68KB 8KB 空闲 96KB 64KB 空闲 240KB 16KB 空闲
0 40KB
操作系统
作业5（28KB）
8KB
作业2（20KB）
作业6（14KB） 50KB
作业4（80KB） 256KB
作业6装入
16KB
下次适应算法的实现
3.分段式管理的地址变换
采用基址寄存器作为重定位寄存器来动态进行重定位的 工作。每当作业被调度运行时，处理机的基址寄存器里 面就设臵为该作业内存分区的起始地址。以后在作业运 行过程中，每次执行访存指令，逻辑地址都与这个基址 寄存器内容相加作为访存的物理地址。如果系统再设臵 一个限长寄存器，它也是在调度时被设成该作业的大小， 则可以进行存储保护，防止越界错误。