操作系统支持(第九章2)

——虚拟存储器(简称虚存)。
在存储管理部件(MMU)的支持下，虚拟存储器
技术可以彻底解决存储器的调度与管理问题。
下面重点介绍: 虚拟存储器.
9.4 虚拟存储器
1 虚拟存储器的基本概念
2 页式虚拟存储器 3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器 4 虚拟的替换算法
虚拟存储器
9.4.1 虚拟存储器的基本概念
蔽位、设置存储管理状态、加载程序状态字等。
3、寄存器访问权限：
计算机系统的中央处理机内设置了很多寄存器，
包括用于暂存数据的通用数据寄存器和用于存放处
理器的控制和状态信息的控制寄存器。后者主要有：
程序计数器PC、程序状态字寄存器PWSR、指令寄 存器IR等，也包括和系统存储管理、中断管理等相 关的寄存器。
3、随机性： 在多道程序环境中，随机性是显而易见的：用户 发出命令或输入数据的时间相对于指令的执行时间 是随机的，程序运行发生错误或异常的时刻是随机
的，外部中断事件发生的时刻是随机的，一个程序
由于等待资源而被暂停执行的时间也是随机的。
9.1.4 操作系统的硬件环境 (自阅)
操作系统的管理功能只有在专门的硬件支持 下才能充分保证系统工作的高效与安全。 1、处理机状态控制：为了支持操作系统的特权，中 央处理机需要知道当前执行的程序是操作系统代码 还是一般用户程序代码。为此，处理机中设置了状 态标志。大多数系统把处理机的状态划分为管理状 态又称超级用户状态、管态或特权状态和用户状态 又称目标状态、常态、目态或解题状态。
第九章
9.1 操作系统概述
操作系统支持
1 操作系统的概念 2 操作系统的功能
3 操作系统的特性及其需要解决的问题
4 操作系统的硬件环境
1 操作系统的概念 [操作系统的概念] 计算机系统大体上可以分为三个部分：硬件、
系统软件和应用软件。硬件是所有软件运行的物
质基础。 操作系统（简称OS）则是最重要的系统软件， 是管理计算机系统资源、控制程序执行的系统软 件。操作系统作为计算机用户与计算机硬件之间 的接口程序，向用户和应用软件提供各种服务， 合理组织计算机工作流程，并为用户使用计算机 提供良好运行环境。
性原理实现多任务并发环境中的存储管理。
交换过程由换入和换出两个过程组成：换入过程
将外存交换区的数据和程序代码换至内存，而换出过
程将内存中的数据换到外存交换区中。
操作系统将暂时不执行的程序代码保存在外存中， 并将这些进程排入进程请求的长期调度队列中。队列 中的一部分进程被调到主存中执行。 当由于输入/输出操作等原因使得存储器中无进程 处于就绪状态时，操作系统将部分进程换出至外存， 并排入中期队列。腾出的内存空间则换入中期队列或 长期队列中的一个可执行的进程。 → 进程管理
状态，当前的存储保护状态等。
（4）控制标志能够影响某些指令执行方式的一些 标志位。
5、中断机制： 现代的计算机系统都支持中断（异常）。通过 检测中断源并进行中断响应，中断机制提供了一 种程序随机切换的方式。
通过响应硬件定时器中断，操作系统可以执行
周期性的例行管理任务，例如进程调度。这可以
确保某个进程不会独占系统资源。以中断方式实
9.3.1 分区式存储管理
早期的操作系统将内存空间简单地分为两个区域：
系统区和用户区。操作系统使用系统区；应用程序则
装入到用户区，并使用用户区全部空间。这种方式管
理简单，但存储区缺少管理，浪费内存空间。
为了支持多个程序并发执行，现代操作系统引入 了分区式存储管理。内存被分为若干个区域，操作系 统占用其中一个分区，其余的分区则提供给应用程序 使用，每个应用程序占用其中一个或几个分区。
现处理机与外界进行信息交换的握手联络，能保 证CPU与外设的并行工作。
计算机工作时可能发生软件或硬件故障，故障发
生的时间相对于CPU的指令执行是完全随机的。常
见的硬件故障有掉电、校验错、运算出错等；常见的 软件故障有运算溢出、地址越界、使用非法指令等。 一旦发生故障，由CPU执行中断处理程序进行处理。
6、存储管理： 系统硬件通过存储管理部件支持操作系统实现 多级存储体系和存储保护功能。
9.2 调度 （略）
9.2.1 进程
9.2.2 调度的层次
9.2.3 处理机调度的实现
9.3 存储管理
存储管理主要解决存储器的分配与回收，存储器 地址变换，存储器扩充，存储器共享与保护等问题。 内容包括： ① 分区式存储管理 ② 交换技术和分页技术
1、并发性：
为了提高系统资源利用率，多任务系统采用并发
技术消除计算机系统中部件和部件之间的相互等待：
两个或两个以上的程序可以在同一时间间隔内同时执
行，设备的输入输出操作和处理机执行程序可以同时 进行。因此并发性是操作系统的重要特征。
2、共享性： 多个并发执行的程序需要共享系统中的硬件资源 和信息资源。
交换技术的优点是增加了并发运行的进程数目。 缺点是换入和换出操作增加了处理机的时间开销； 而且交换的单位为整个进程的地址空间，没有考 虑程序执行过程中地址访问的统计特性。 交换技术和早期采用的覆盖技术一样，虽然都 是从逻辑上利用外存扩大主存空间，但并没有将
主存和外存组成一个有机的整体。
分页技术则是一种非常重要的存储管理策略
∵ 虚拟存储器空间涵盖外存空间，故其地址空间的大小
只受到辅助存储器容量的限制。（对应为主存逻辑空间）
高速存储器
主存+外存层次的地址变换映射方法和替换策略， 也是基于程序局部性原理。
它们遵循的原则是： ① 把程序中最近常用的部分驻留在高速的存储器中。 ②一旦这部分变得不常用了，把它们交换回到低速 的存储器中。 ③ 这种换入换出是由硬件或操作系统完成的，对用 户是透明的。 ④ 力图使存储系统在性能上接近高速存储器、在价 格和容量上接近低速存储器。
多任务系统中。
存储管理的任务: （1）存储分配: 即根据程序的需要为其分配存
储器资源，在方便存储器使用的同时,保证存储
器的高利用率。
（2）存储共享: 允许主存中的多个任务或多个
用户程序共享存储器资源，这一方面可以提高 存储器的利用率，另一方面又便于多任务间的 数据交换。
（3）存储保护: 确保用户程序不会有意或无意
地访问或破坏操作系统的关键代码和数据。各个
用户程序之间也需要相互隔离、互不干扰。
（4）存储扩充: 基于存储器的层次结构，存储 管理需要为用户提供与实际物理内存空间不直接 相关的逻辑编程空间，并在主存和辅助存储器的 支持下实现逻辑地址空间与物理地址空间之间的 映射与变换，方便用户的编程和使用。
３、设备管理： 设备管理的主要任务是进行各类外围设备的调 度与管理，协调各个用户提出的I/O请求，提高各 I/O设备操作与处理机运行的并行性，提高处理机
2、特权指令：为了防止用户程序执行有关资源管理 的机器指令从而破坏系统正常工作状态，在多任务 环境中，通常把指令系统中的指令分为两类：特权 指令(Privileged Instructions)和非特权指令。
特权指令是只能由操作系统核心程序执行的机
器指令，用于系统资源管理与程序执行控制等操作，
如启动输入输出设备、设置系统时钟、控制中断屏
分区式存储管理机制分为：固定（大小）分区
和动态分区两种类型。
动态分区：在进程申请内存空间时按其要求的
容量分配内存，或根据进程的要求在其执行过程中
动态改变分区大小。
分区存储管理的优点是易于实现，但缺点是容
易造成空间浪费，产生碎片。
9.3.2 交换技术和分页技术
根据程序的局部性原理：在一个较短的时间间隔 内，程序所访问的存储空间的90%集中在存储器地址 空间的10%范围内。交换技术正是利用了程序的局部
和I/O设备的利用率。
设备管理还需提供每种设备的设备驱动程序，
向用户屏蔽硬件使用细节。
9.1.3 操作系统的特性及其需要解决的问题
操作系统作为计算机系统的管理者，必须 解决一系列复杂的管理问题。而计算机系统运 行的特性决定着操作系统的策略。 操作系统需要解决的问题： 并发性、共享性、随机性。 《操作系统》课程中将详细讨论
操作系统已经成为现代计算机系统不可分 割的重要组成部分。操作系统依托计算机硬件
并在其基础上提供许多新的服务和功能，从而
使用户能够方便、可靠、安全、高效地操纵计 算机硬件并运行应用程序。
[操作系统的主要目标]
①管理系统资源：操作系统能有效管理系统中的所有 硬件资源和软件资源，使资源得到充分利用。 ②提高系统效率：操作系统能合理地组织计算机的工
4、程序状态字和程序执行现场： 为了记录计算机系统当前的工作状态，需要专 门设置程序状态字（PSW）用于控制指令的执行 并存储与程序有关的系统状态。
程序状态字寄存器保存的信息通常包括以下几类：
（1）当前正在执行的指令地址这由程序计数器给
出。
（2）状态条件码表示指令执行结果的状态特征，
例如算术运算指令运行结果是否为零、是否有溢 出、是否是负数等。 （3）处理机状态指明当前的处理机状态，如目态 或管态，是否允许某类中断，是否处于中断嵌套
作流程，改进系统性能，提高系统效率。
③方便用户使用：通过向用户提供友好的用户界面， 操作系统能让用户更方便、更轻松地使用计算机系 统。
④增强机器功能: 操作系统能通过扩充改造硬件 部件并提供新的服务来增强机器功能。 ⑤构筑开放环境：操作系统通过遵循相关技术标 准的方式支持体系结构的可伸缩性和可扩展性， 支持应用程序在不同平台上的移植和互操作。
(单用户、单任务系统运行时处理机的使用效率 )
现代的计算机系统广泛采用多任务机制支持多
个程序或多个用户并行使用计算机。
在引入多任务机制后：当一个作业需等待I/O
等外部操作时，处理机转去执行另一个作业，从而
实现多任务的并行执行。
操作系统则负责组织多个任务的并行执行，并
负责解决处理机的调度、分配和回收等问题。
关于地址与空间的若干名词：
实存地址（又称物理地址）： 是由CPU地址引脚送出， 用于访问主存的实际地址。（对应主存物理空间） 虚拟地址（又称逻辑地址）：由编译程序生成的，是程 序的逻辑地址。工作在虚拟地址模式下的CPU理解这些虚拟 地址，并能够将它们转换成实际物理地址。 若虚拟地址字长为n位，则虚拟地址空间为：2n。
1.什么是虚拟存储器
虚拟存储器: 是一个容量非常大的主存储器的逻 辑模型，不是实际的物理主存储器。
它借助于硬盘、磁盘等辅助存储器来扩大主存的
虚拟容量，使之为更大或更多的程序所使用。 特点：采用“主存+外存”层次结构，以透明的方式给 用户提供了一个比实际主存空间大得多的程序地址空 间。(注意：并不是说，虚拟地址空间就是外存地址空间）
各方案特点：
9.1.2 操作系统的功能
操作系统的核心任务：
━━━ 管理计算机系统中的资源。
从资源管理的角度来看，作为资源管理器的操作 系统对计算机硬件资源的管理主要体现在以下三个方 面： ① 处理器管理 ② 存储器管理 ③ 设备管理
１、处理机管源自文库：
处理机是最重要的硬件资源，因为所有软件的执
行和系统功能的实现都依赖于处理机。因此，能否 充分发挥处理机的效能，是系统功能和性能的关键。 早期的计算机系统都是单用户、单任务系统。
高速存储器
“主存+外存” 存储系统与“Cache+主存”存储 系统
的主要区别：
主
(1) “Cache+主存”的存储结构，主要目的是解决
存的工作速度问题；而“主存+外存”的存储结构，则
是主要解决主存的存储容量问题（可编程空间问题）。 (2) 在虚拟存储系统中，主存未命中的性能损失要 远大于Cache系统中的Cache未命中的损失。 （因为外存与主存的速度差异达近千倍，而主存
与Cache的速度差异仅10倍左右）
因此，两种存储器的管理方案的实施细节也有差异。
高速存储器
2.主存-外存层次的基本信息传送单位
主存-外存层次的基本信息传送单位，通常采用 几种不同的方案：段式、页式或段页式。 [ 注意到：Cache/主存之间的信息交换，一般只 以数据块的形式进行]
主 存
外 存
高速存储器
处理数据1
送到内存
处理数据2
（多任务系统运行两道程序时处理机的使用效率）
送到输出设备
２、存储管理： 按照冯· 诺依曼体系结构，无论是指令还是操作数， 都存储在内存储器中。因此存储系统的性能对系统整
体性能的影响非常大。
随着现代计算机系统的存储系统层次结构的复杂化，
操作系统担负的存储管理任务也越来越繁杂，尤其在