操作系统原理 第4章 存储管理-段式存储管理

举例：一作业由三个程序段，按照段页式划分地 址空间如下图
段页式作业地址空间和地址结构示意图
页面大小为4KB
0 4K 8K 1 2K 1 5K 1 6K
主程 序段
0 4K 8K
子程 序段
0 4K 8K 1 0K 1 2K
数据 段
(a ) 段 号 (S) 段 内 页 号 (P) (b )
改为：页内地址
4.4.3 信息共享
论点：分段技术中信息共享比分页技术中的信息共享更 方便有效。
信息共享举例：
有一多用户系统，可同时接纳40个用户，他们都执行一 个文本编辑程序（Text Editor）。假设文本编辑程序有 160KB的指令代码和另外40KB的数据区。
假设文本编辑程序代码是可重入的，试以分页和分段存 储管理方式探讨文本编辑程序的共享问题。假设分页系 统页的大小为4K。具体见下图。
授课内容与重难点
基本分段存储管理方式：理解相关概念，掌握实现 原理（重）和地址变换过程（难）； 段页式存储管理方式：理解基本概念，掌握实现原 理（重）和地址变换过程（难）； 虚拟存储器的基本概念：理解虚拟存储器的基本概
念与实现思想（重点）；
4.4 基本分段存储管理方式
固定分区
知识回忆
动态分区
③ 然后，由块号与页内地址（偏移）构成实际的物理 地址； ④ 最后根据物理地址获取实际信息数据。
注意：在段页式存储系统中，获取一条指令或数据需要 访问三次内存：段表、页表和实际数据。
段页式系统中的地址变换机构与过程示意图
段表寄存器 段表始址 ＋ 段表 0 1 2
第一次访问内存
S≥TL
＞ 段超长
逻辑地址(注意：是二维的， 后两个构成段内偏移量)
分页存储管理 提高内存利用率
4.4.1 分段存储管理方式的引入 分段存储 管 理引入原 因
方便 编程 分段 共享
满足用户(程序员) 在编程和使用上多 方面的需要
动态 链接 分段 保护 动态 增长
4.4.2 分段系统的基本原理
1 基本分段存储管理的基本思想：
作业地址空间按逻辑分段，物理内存空间按段的实 际大小分配，所有逻辑段运行前需要全部装入
4.4.4 段页式存储管理方式
段页式存储管理方式是将分段存储管理方式与分 页存储管理方式相结合而形成的一种存储管理方 式； 段页式存储管理方式具有分段和分页方式的共同 优点；
1. 基本原理：先将用户程序分成若干段，每个段有 其段名/号；然后再将每个段分成若干页，段内 各页顺序编号（从0开始相对编号）；
1 2 3
20K 15K 10K
段表示意图
80K 120K 150K
段表的存储和隶属关系：
存储：段表一般存放在内存中，由段表始址和
段表长度唯一确定；
归属：每个进程拥有一个段表；并在进程 PCB 记录段表的始址和段表长度；
目的：实现段的地址映射。
0
作业空间 (MAIN)＝0 段表
内存空间
0
3 0K 0 2 0K 0 1 5K 0
段 内 地 址 (W)
2. 段页式存储管理系统地址变换过程
段页式地址变换机构：每一进程拥有段表（置于
内存）；各段拥有自己的一个段内页表（置于内 存）；段表寄存器；物理地址寄存器等；
段表与段内页表的组成：段表由段表项组成、段
内页表由页表项组成，所含字段如下图所示；
从段表、页表实现地址映射的结构示意图
8292
not
W<500
8k+100
+
8292 物理地址
8k 8691
段表
主存
段式系统地址变换过程示意图
段地址变换过程描述
① 从段逻辑地址寄存器中取得段号S和段内位移量W；
② 将 S 与段表寄存器中的段表长度 TL 比较，若S≥TL， 越界异常处理； ③ 否则，根据段表始址和段号在段表中查找段号为S的 表项，得到该段的内存空间首地址；
4.5.2 虚拟存储器的实现方法
1. 请求分页系统 实现方法是在分页系统的基础上，增加了请求调页功 能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。 1）需要硬件支持： ① 请求分页的页表机制：用于请求分页的数据结构；
② 缺页中断机构：产生缺页中断，以请求OS将所缺的页调 入内存；
③ 地址变换机构：实现逻辑地址到物理地址的变换（类似
0 15K-1 0 7K-1 0 8K-1
主程序段 0 子程序段 1 数据段 2 作业地址空间
一个作业被划分为分若干个段； 一个段拥有一个段名或段号； 一个段标识一个完整的信息单位 段号从0开始，依次编号到n； 每一段段内从0开始连续编址； 作业的地址空间为二维的； LOAD 1,[A]|<D> STORE 1,[B]|<C>
2. 虚拟性 ：从逻辑上扩充内存。
小结
分段系统的逻辑特征与物理实现； 分段系统的优点和缺点； 段页式系统的基本实现原理及优缺点； 虚拟存储系统的基本概念与实现原理；
④ 把段首地址与段内位移相加，形成内存地址送入物 理地址寄存器中，并以此地址访问内存取出指令或 数据。
地址变换特点： 同页式地址变换一样，在段地址变换过程
中，也有两次访问内存的问题。为了加快访
问内存的速度，也可采用联想存储器组成快 表。
4 分页和分段的比较
相同点：离散分配方式； 不同点如下：
① 段是依据程序的逻辑结构划分的，页是按线性地址空 间顺序分割的； ② 分段中程序地址空间是二维的，分页中程序地址空间 是一维的； ③ 段是面向用户的（用户决定），页对用户是透明的； ④ 段长由用户决定，且各段的大小一般不相等（最大长 度限制）；面页长是由系统决定的，各页的长度必须 相等； ⑤ 段的共享比页的共享更容易；
段表寄存器段表大小 段来自始址页号 状态 0 1 1 1 页表始址 2 3 4 1 0 1 存储块#
操作系统
段号 状态 0 1 2 3 4 1 1 1 0 1
页表大小
段表
页表
主存
段页式系统地址变换过程
具体变换过程（如下图所示）：
① 从逻辑地址中取得段号S，并与段表寄存器中的段表 长度TL比较，若S>=TL，越界处理；否则，由段表寄存 器中的段表始址访问段表，并找到本段的段表项； ② 由段表项指定的本段页表起始地址访问本段的页表， 并根据逻辑地址的页号找到本页所在的存储块；
3 地址变换
地址变换机构：段地址变换机构由段表、段表寄存
器、物理地址寄存器等硬件设施以及相关软件
组成； 段表寄存器：存放段表始址和段表长度； 地址变换过程如下图所示：
段表寄存器
段表始址 段表长度TL
越界中断 段号S
位移量W 100 逻辑地址
≤
2
+
段号 段长 始址 0 1k 6k 1 600 4k 2 500 3 200 8k 9200
分段地址结构： 段号
31
段内地址
16 15 0
内存分配思想： 以段为单位，为每个段分配一片连续的内存空间依次存 放段的全部信息； 每个段分配的内存空间由其起始地址和段长度确定； 段之间为离散分配，即各段之间地址可以不连续；
分段存储分配的算法与特点：
动态分区分配：采用空闲分区表或链表管理可
用内存空间；分配策略可采用首次适应、循环
首次适应或最佳适应算法。
段内连续，段间离散：分段式管理以段为单位 为一个段分配一片连续存储空间；各段之间的 内存分配可以是连续的，即段间离散。 缺点：同样不可避免碎片问题。
2 段表：为了实现段的逻辑地址到物理地址的转换，必须 为每个进程建立一个段表，用于记录各段的内存 分配信息。 段号 段长 基址 0 30K 40K
2.
局部性原理：
早在 1968 年， Denning.P 就曾指出：程序在执行时将 呈现局部性原理，即在一较短时间内，程序的执行仅局限 于某个部分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个 区域。 关于局限性的论证参考书上说明，请自学。
3. 虚拟存储器定义
虚拟存储器：是指以软件的方法从逻辑上（非物理）
上扩充内存的容量。
实现思想：根据局部性原理，作业在运行前，没有必 要将其程序（数据)调入内存，而是把当前要执行的部
分（或页或段）调入内存便开始执行；在执行过程中， 陆续将要执行但又不在内存的部分程序（数据）调入 内存；若内存不够时，也可陆续将暂时不运行的程序 调出内存，以腾出内存空间。
功能要求：实现虚拟存储器的核心是存储管理系统必 须具备调入和换出功能。
段号S 页号P 页内地址
段表长度
页表 0 1 2 ＋ 3 b 块号 b 块内地址
第二次访问内存
3
页表长度
页表始址
第三次访问内存
4.5 虚拟存储器的基本概念
4.5.1
1. ① 一次性：作业在运行前必须一次性将程序、数据 装入内存（包括运行期间不执行的部分）才能运 行； ② 驻留性：作业装入内存后，便一直驻留于内存， 直到作业运行结束 。 缺点：作业在运行过程中，不运行或暂时不运行 的程序（数据）将一直呆在内存中。
② 缺段中断机构：产生缺段中断，以请求OS将所缺段调入 内存；
③ 地址变换机构：实现段逻辑地址到物理地址的变换 2）实现请求分段的软件：在硬件的支持下，还需实现请求 调段功能的软件和实现分段置换功能的软件。
4.5.3
虚拟存储器的特征
1. 多次性：一个作业被多次调入；
2. 对换性：作业在运行期间可换进、换出；
分页系统）
2）实现请求分页的软件：在硬件的支持下，还需实现请求 调页功能的软件和实现页面置换功能的软件。
4.5.2 虚拟存储器的实现方法
2. 请求分段系统 请求分段系统是在分段系统的基础上，增加了请求调 段和分段置换功能所形成的段式虚拟存储系统。 1）需要硬件支持： ① 请求分段的段表机制：用于请求分段的段表数据结构；