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第四章 存 储 器 管 理4.1 存储器的层次结构4.2 程序的装入和链接4.3 连续分配存储管理方式4.4 对换(Swapping)4.5 分页存储管理方式4.6 分段存储管理方式习题? 4.1 存储器的层次结构 在计算机执行时,几乎每一条指令都涉及对存储器的访问,因此要求对存储器的访问速度能跟得上处理机的运行速度。或者说,存储器的速度必须非常快,能与处理机的速度相匹配,否则会明显地影响到处理机的运行。此外还要求存储器具有非常大的容量,而且存储器的价格还应很便宜。 4.1.1 多层结构的存储器系统 1. 存储器的多层结构 对于通用计算机而言,存储层次至少应具有三级:最高层为CPU寄存器,中间为主存,最底层是辅存。在较高档的计算机中,还可以根据具体的功能细分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等6层。如图4-1所示。 图4-1 计算机系统存储层次示意 2. 可执行存储器 在计算机系统的存储层次中,寄存器和主存储器又被称为可执行存储器。对于存放于其中的信息,与存放于辅存中的信息相比较而言,计算机所采用的访问机制是不同的,所需耗费的时间也是不同的。进程可以在很少的时钟周期内使用一条load或store指令对可执行存储器进行访问。但对辅存的访问则需要通过I/O设备实现,因此,在访问中将涉及到中断、设备驱动程序以及物理设备的运行,所需耗费的时间远远高于访问可执行存储器的时间,一般相差3个数量级甚至更多。4.1.2 主存储器与寄存器 1. 主存储器 主存储器简称内存或主存,是计算机系统中的主要部件,用于保存进程运行时的程序和数据,也称可执行存储器。 2. 寄存器 寄存器具有与处理机相同的速度,故对寄存器的访问速度最快,完全能与CPU协调工作,但价格却十分昂贵,因此容量不可能做得很大。 4.1.3 高速缓存和磁盘缓存 1. 高速缓存 高速缓存是现代计算机结构中的一个重要部件,它是介于寄存器和存储器之间的存储器,主要用于备份主存中较常用的数据,以减少处理机对主存储器的访问次数,这样可大幅度地提高程序执行速度。高速缓存容量远大于寄存器,而比内存约小两到三个数量级左右,从几十KB到几MB,访问速度快于主存储器。 2. 磁盘缓存 由于目前磁盘的I/O速度远低于对主存的访问速度,为了缓和两者之间在速度上的不匹配,而设置了磁盘缓存,主要用于暂时存放频繁使用的一部分磁盘数据和信息,以减少访问磁盘的次数。但磁盘缓存与高速缓存不同,它本身并不是一种实际存在的存储器,而是利用主存中的部分存储空间暂时存放从磁盘中读出(或写入)的信息。主存也可以看作是辅存的高速缓存,因为,辅存中的数据必须复制到主存方能使用,反之,数据也必须先存在主存中,才能输出到辅存。? 4.2 程序的装入和链接 用户程序要在系统中运行,必须先将它装入内存,然后再将其转变为一个可以执行的程序,通常都要经过以下几个步骤: (1) 编译,由编译程序(Compiler)对用户源程序进行编译,形成若干个目标模块(Object Module); (2) 链接,由链接程序(Linker)将编译后形成的一组目标模块以及它们所需要的库函数链接在一起,形成一个完整的装入模块(Load Module); (3) 装入,由装入程序(Loader)将装入模块装入内存。 图4-2示出了这样的三步过程。本节将扼要阐述程序(含数据)的链接和装入过程。图4-2 对用户程序的处理步骤4.2.1 程序的装入 为了阐述上的方便,我们先介绍一个无需进行链接的单个目标模块的装入过程。该目标模块也就是装入模块。在将一个装入模块装入内存时,可以有如下三种装入方式: 1. 绝对装入方式(Absolute Loading Mode) 当计算机系统很小,且仅能运行单道程序时,完全有可能知道程序将驻留在内存的什么位置。此时可以采用绝对装入方式。用户程序经编译后,将产生绝对地址(即物理地址)的目标代码。 2. 可重定位装入方式(Relocation Loading Mode) 绝对装入方式只能将目标模块装入到内存中事先指定的位置,这只适用于单道程序环境。而在多道程序环境下,编译程序不可能预知经编译后所得到的目标模块应放在内存的何处。因此,对于用户程序编译所形成的若干个目标模块,它们的起始地址通常都是从0开始的,程序中的其它地址也都是相对于起始地址计算的。 图4-3 作业装入内存时的情况 3. 动态运行时的装入方式(Dynamic Run-time Loading) 可重定位装入方式可将装入模块装入到内存中任何允许的位置,故可用于多道程序环境。但该方式并不允许程序运行时在内存中移动位置。 4.2.2 程序的链接 1. 静态链接(Static Linking)方式 在程序运行之前,先
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