第4章存储器管理(3)传

常规存储器管理方式的特征
一次性。要求将作业全部装入内存后方
能运行。（作业在运行前需一次性地全 部装入内存） 驻留性。作业装入内存后，便一直驻留 在内存中，直至作业运行结束。
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4.6.1．虚拟存储器的引入

局部性原理
程序执行时，
除了少部分的转移和过程调用指令 外， 在大多数情况下仍是顺序执行的。 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转 至另一部分区域， 但经研究看出，过程调用的深 度在大多数情况下都不超过5。 程序中存在许多循环结构， 这些虽然只由少数指 令构成， 但是它们将多次执行。 程序中还包括许多对数据结构的处理， 如对数组 进行操作， 它们往往都局限于很小的范围内。
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固定分配局部置换
# 每个进程分配固定页数的内存空间，在整个 运行过程中保持不变。 # 发生缺页中断时，只能从该进程在主存中的 N个页面中选出一页换出，保持其占有的内 存数不变。 # 困难：固定，而实现难以确定，若太大，造 成内存浪费；若太小，进程频繁换入换出
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4.7.2内存分配策略和分配算法

在为进程分配内存时，将涉及到三个问题：
第一，确定为保证作业正常运行所需要的最少物
理块数； 第二，为每个作业分配的物理块，其数目是固定 的还是可变的（分配策略）； 第三，对各作业所分配的物理块数，是采取平均 分配算法还是根据作业的大小按比例分配等。

此时应将缺页的进程挂起（调页完成唤醒）
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缺页中断同一般中断的区别？ 缺页中断同一般中断都是中断， 相同点是：保护现场 中断处理 恢复现场 不同点： 在指令执行期间产生和处理中断信号。一般中断是 一条指令完成后中断，缺页中断是一条指令执行时， 发现所要访问的指令或数据不在内存时所产生的中 断 一条指令执行时可能产生多个缺页中断。如指令可 能访问多个内存地址，这些地址在不同的页中。
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程序局部性原理

时间局部性 一条指令被执行了，则在不久的将来它可能再被 执行，如果某数据被访问过， 则不久以后该数据 可能再次被访问。 （循环操作） 空间局部性 若某一存储单元被使用，则在一定时间内，与该 存储单元相邻的单元可能被使用，即程序在一段 时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之 内。 （程序顺序执行）
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可变分配全局置换
# OS保持一个空间块队列 # 首先为进程分配一定数目内存块，当缺页时 从空闲队列中摘取一块， # 当空闲队列空时，系统找出任意进程的页换 出 #缺点：会使那个进程的缺页次数增加。
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可变分配局部置换
#首先为进程分配一定数目内存块 #发生缺页时只能从自己的页面中选出一页换 出 #若某进程缺页中断频繁，则系统给他增加一 些块，反之，若某进程缺页中断特别低，则 系统给他减少一些块，但不能引起其缺页率 明显增加。
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4.6.2 虚拟存储器的实现方法

1.分页式请求系统
它是在分页式存储管理系统上增加了请求调页功能、
页面置换功能所形成的页式虚拟存储管理系统。 硬件支持
① 请求分页的页表机制，它是在纯分页的页表机制上增加若 干项而形成的，作为请求分页的数据结构；② 缺页中断机构， 即每当用户程序要访问的页面尚未调入内存时 便产生一缺页 中断，以请求OS将所缺的页调入内存；③ 地址变换机构，它 同样是在纯分页地址变换机构的基础上发展形成的。
（2）缺页中断机构
在请求分页系统中，每当所要访问的页面不在
主存时，便要产生一次缺页中断，请求操作将 所缺的页调入主存。
（3）地址变换机构
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页表表项
页号、内存块号、状态位、访问位、修改位、 外存地址 状态位P：表示该页是否已调入内存，供程 序访问时参考 访问位A：用于记录本页在一段时间内被 访问的次数或最近已有多长时间未被访问， 供选择换出页面时参考

1．硬件支持 2．内存分配策略和分配算法 3．调页策略
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它是建立在纯分页基础上的，增加了请求调 页功能、页面置换功能所形成的请求分页存 储管理系统。 把作业分成大小相等的若干页，把主存分成 与页大小相等的若干块；对每个作业限定分 给它的主存块数，先把作业的部分页装入主 存的这些块中，在作业运行时再装入所需要 的页。
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页号2
A
5
C
000 1010
0101 1100
3
7
1
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2
5
C
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练习
某请求页式管理系统页表的内容如下表，作业在地 址空间所规定的页长为1K，对于CPU所给出的有效 地址：33790、40462，其对应的物理地址分别为： _____、_______。 虚页号 36 37 38 物理页号 84 85 95
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1、最少物理块数的确定


最少物理块数:保证进程正常工作所需块数， 若少于次数，进程将无法运行 最少物理块数与硬件结构有关，取决于指令 格式，功能和寻址方式。
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2、物理块的分配策略
内存分配策略：固定和可变 置换策略：全局和局部 组合成3种合适的策略： 1. 固定分配局部置换 2. 可变分配全局置换 3. 可变分配局部置换
实现请求分页的软件
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4.6.2．虚拟存储器的实现方法

2.分段式虚拟存储管理
它是在分段式存储管理系统上增加了请求调段功
能、分段置换功能所形成的段式虚拟存储管理系 统。 硬件支持：
请求分段的段表机制 缺段中断机构
地址变换机构
实现请求分段的软件
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在进程开始运行之前，不是装入全部页 面，而是装入几个页面，之后根据进程运行 的需要，动态装入其它页面； 当内存空间已满，而又需要装入新的页 面时，则根据某种算法淘汰某个页面，以便 装入新的页面
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60K-64K
56K-60K 52K-56K 48K-52K 44K-48K 40K-44K 36K-40K 32K-36K 28K-32K 24K-28K 20K-24K 16K-20K 12K-16K 8K-12K 4K-8K 0K-4K
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比如说，有一个1MB的程序，任何时刻都可以让 它的256KB内容在内存运行。需要时，就在内存和辅 存之间交换所需要的其他程序段信息。于是，1MB程 序就可以在256KB的存储器中得以运行。对于用户来 说，他只知道程序在内存里才能运行。现在他的1M程
序能够运行，因此他就认为该计算机系统向他提供的
页号 内存块号 状态位P 访问位A
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修改位M外存地址
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页表表项
页号、内存块号、驻留位、外存地址、访问 位、修改位 修改位：查看此页是否在内存中被修改过， 供置换页面时参考。 外存地址：该页存放在外存上的地址。供 调入该页时参考。
页号 内存块号 状态位P
访问位A
修改位M外存地址
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缺页中断（Page Fault）机构

缺页中断机构
在请求分页系统中，每当所要访问的页面不在主存时，
便要产生一次缺页中断，请求操作将所缺的页调入主存。 缺页中断作为中断，它同样需要经历诸如保护CPU环境、 分析中断原因、转入缺页中断处理程序进行处理、恢复 CPU环境等几个步骤。
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4.6.3．虚拟存储器存储的特点



（1）多次性。多次性是指一个作业被分成多 次调入主存运行 。 （2）对换性。对换性是指允许在作业的运行 过程中换进、换出 。 （3）虚拟性。虚拟性是指能够从逻辑上扩充 内存容量，使用户所看到的主存容量远大于 实际主存容量。
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4.7请求分页式存储管理
是一个具有1MB内存的计算机。但这只是一个“幻
觉”，实际上却只提供给他256KB内存。这样一个认
为有的、但实际上不存在的“大”存储器，就被称为 “虚拟存储器”。
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虚拟存储器的定义


虚拟存储器是指仅把作业的一部分装入主存便 可运行作业的存储器系统。具体地说，所谓虚 拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能， 能从逻辑上对主存容量进行扩充的一种存储器 系统。实际上，用户所看到的大容量只是一种 感觉，是虚的，故而得名虚拟存储器。 虚拟存储器的逻辑容量由内存容量和外存容量 之和决定，其运行速度接近于内存速度，而其 成本却又接近于外存。可见，虚拟存储技术是 一种性能非常优越的存储器管理技术，故被广 泛地应用广泛地应用于各类计算机中。
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若该页的R位（缺页中断位）为 根据当前执行指令中的虚拟地 下图用数字标出了缺页中断的处理过程： “0”，表示当前该页不在内存，于 址，形成数对：（页号，页内 是产生缺页中断，让操作系统的中 位移）。用页号去查页表，判 断处理程序进行中断处理。 断该页是否在内存储器中
由于产生缺页中断的那条指令并没有执行， 中断处理程序去查存储分块表，寻 所以在完成所需页面的装入工作后，应该返回 找一个空闲的内存块；查页表，得 原指令重新执行。这时再执行时，由于所需页 根据分配存储块的信息，修改页表中相应的表目内容，即将表目 到该页在辅助存储器上的位置，并 把从磁盘上读出的信息装入到分配 启动磁盘读信息。 中的R位设置成为“1”，表示该页已在内存中，在B位填入所分 面已在内存，因此可以顺利执行下去。 的内存块中。
X X X X 7 X 5 X X X 3 4 0 6 1 2
虚地址空间
} 虚页
物理地址空间
页框
28K-32K 24K-28K 20K-24K 16K-20K 12K-16K 8K-12K 4K-8K 0K-4K
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2．采用的数据结构

（1）页表
页表用来记录作业的分配情况
。

1．问题的提出



前面所介绍的各种存储器方式有一个共同特 点：要求将一个作业全部装入内存后方能运 行。 出现问题：
有的作业很大，其所要求的内存空间超过了内存总容量。 有大量作业要求运行。


解决方法：
从物理上增加内存容量 从逻辑上扩充内存容量
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4.6.1．虚拟存储器的引入

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练习
某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1k， 主存16k。假定某时刻用户页表中已调入主存的页 面的虚页号和物理页号对照表如下：该用户的作业 的长度为6页，试将十六进制的虚拟地址0A5C、 103C、1A5C转换成物理地址。 虚页号 0 1 2 物理页号 5 10 4 块号4 01 0010 0101 1100

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虚拟存储器的定义
由于局部性原理，应用程序在装入部分信息后就 能够运行，其意义是重大的。因为这样一来，作 业就可以不受内存储器容量的限制了，作业的相 对地址空间可以比内存储器大，并且可以大很多。 具体地说，就是作业提交给系统时，首先进入外 存。运行时，只将其有关部分信息装入内存，大 部分仍保存在外存中。当运行过程中需要用到不 在内存的信息时，再把它们调入，以保证程序的 正常运行。

配的块号。另外，还要修改存储分块表里相应表目的状态。
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练习
作业在执行中发生了缺页中断，经操作系统 处理后，应让其执行____指令： A、被中断的前一条 B、被中断的 C、被中断的后一条 D、启动时的第一条 在采用请求分页式存储管理的系统中，地址 变换可能会因为___、____和____等原因而 产生中断。
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3．作业在主存中块数的分配算法

（1）平均分配算法
将系统中所有块平均分配各个进程
貌似公平

（2）按比例分配算法
按进程大小比例分配：Bi=Si/S*M

（3）优先权分配算法
内存分两部分，一部分按比例分配，另一部分则
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3. 地址变换机构
请求分页系统中的地址变换与页式存 储管理相同，为了实现虚拟存储功能，又 增加了产生和处理缺页中断和从内存换入 换出一页的功能等等。 地址变换过程：首先检索快表，若找到， 修改页表中的访问位。对于写指令，要将 修改位也置成“1”，然后利用页表项中给 出的物理块号和页内地址，形成物理地址。