操作系统原理(ch5).ppt

2003年9月28日 操作系统原理 第五章 存储管理(Memory Management) 5.1 存储管理的功能 5.2 分区存储管理 5.3 覆盖与交换技术 5.4 页式管理 5.5 段式与段页式管理 5.6 局部性原理和抖动问题 基本概念 --存储器的分类 基本概念 --内存的物理组织 物理地址： 把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给一个编号，这个编号称为内存地址（物理地址、绝对地址、实地址），存储单元占8位，称作字节（byte）。 物理地址空间： 物理地址的集合称为物理地址空间（主存地址空间），它是一个一维的线性空间。 基本概念 --程序的逻辑结构 5.1 存储管理的功能 1. 虚拟存储器 2. 地址变换 3. 内外存数据传输的控制 4. 内存的分配与回收 5. 内存信息的共享与保护 5.1.1 虚拟存储器 1、问题的提出 物理存储器的结构是个一维的线性空间，容量是有限的。 用户程序结构： 一维空间 一个用户程序就是一个程序，并且程序和数据是不分离的； 二维空间 程序由主程序和若干个子程序（或函数）组成，并且程序与数据是分离的； n维空间 即一个大型程序，由一个主模块和多个子模块组成，其中，各子模块又由主程序和子程序（或函数）组成。 用户程序的大小，可能比内存容量小，也可能比内存容量大，有时候要大得多。 5.1.1 虚拟存储器 如何将与物理内存结构不同，且大于物理内存容量的用户程序装入运行？这就是提出研究虚拟存储器的原因，或称为虚拟存储技术发展的原动力。 5.1.1 虚拟存储器 虚拟存储器的实现基础： 实验证明，在一个进程的执行过程中，其大部分程序和数据并不经常被访问。 实现原理：把进程中那些不经常被访问的程序段和数据放入外存中，待需要访问它们时再将它们调入内存。 引入虚拟存储技术的好处 大程序：可在较小的可用内存中执行较大的用户程序； 大的用户空间：提供给用户可用的虚拟内存空间通常大于物理内存(real memory) 并发：可在内存中容纳更多程序并发执行； 易于开发：不会影响编程时的程序结构 5.1.1 虚拟存储器—概念 将进程中的目标代码、数据等的虚拟地址（又称逻辑地址，相对地址）组成的虚拟空间称为虚拟存储器（Virtual memory）。 虚拟存储器不考虑物理存储器的大小和信息存放的实际位置，只规定每个进程中互相关联的信息的相对位置。 每个进程都有自己的虚拟存储器，通常是一个以0地址为始地址的一维（或多维）虚拟地址空间。 从虚拟地址空间到物理地址空间需要进行地址变换。 5.1.2 地址变换 物理地址空间是一维的，而虚拟地址空间可以是一维的，也可以是多维的。 当程序装入内存时, 操作系统要为该程序分配一个合适的内存空间，由于程序的逻辑地址与分配到内存物理地址不一致, 而CPU执行指令时，是按物理地址进行的，所以要进行地址转换。 5.1.2 地址变换 地址映射：将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址。 地址变换涉及两个问题： 虚拟空间的划分 地址重定位（地址映射） 地址重定位的方法： 静态地址重定位 动态地址重定位 1.静态地址重定位(static address relocation) 静态地址重定位是在程序装入内存时，完成从逻辑地址到物理地址的转换的。 在一些早期的系统中都有一个装入程序（加载程序），它负责将用户程序装入系统，并将用户程序中使用的访问内存的逻辑地址转换成物理地址。如下图所示。 2. 动态地址重定位(dynamic address relocation) 动态地址重定位是在程序执行过程中，在CPU访问内存之前，将要访问的程序或数据地址转换成内存地址。 动态地址重定位依靠硬件地址变换机构完成： 地址重定位机构需要一个（或多个）基地址寄存器BR和一个（或多个）程序虚拟地址寄存器VR。内存地址MR与虚拟地址的关系为：MR=BR+VR。 2. 动态地址重定位 2. 动态地址重定位的特点 动态地址映射是由硬件在执行时完成的，程序中不执行的程序就不做地址映射的工作，这样节省了CPU的时间； 重定位寄存器的内容由操作系统用特权指令来设置，比较灵活； 实现动态地址映射必须有硬件的支持，并有一定的执行时间延迟。现代计算机系统中都采用动态地址映射技术； 2. 动态地址重定位的特点（续） 可以对内存进行非连续分配； 可以实现虚拟存储器； 有利于程序段共享。 5.1.3 内外存数据传输的控制 控制内存和外存之间的数据流动的办法： 用户程序控制 主要由用户程序以覆盖技术进行内外存的数据交换。 操作系统控制 交换方式、请求调入方式（o