第5章存储管理.ppt

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1、2023-11-151计算机组成和操作系统第第5 5章章 存储管理存储管理5.1 存储器概述 5.2 高速缓冲存储器5.3 内存分配方式5.1.1 存储器的分类5.1.2 存储器的性能指标5.1.3 存储器的组成与工作原理5.1.4 存储器的层次结构45.1.1 存储器分类v按存储器的器件和存储介质分类v按存取方式分类v按存储器在计算机中的作用分类51.按存储器的器件和存储介质分类l半导体存储器：由半导体器件组成F双极型存储器、MOS型半导体集成电路存储器 F速度快、功耗低l磁存储器：由磁性材料做成F磁芯、磁带、磁盘等 F容量大，速度慢、体积大l光存储器：用光学材料根据光学原理存储信息FCD-

2、ROM、DVD-ROMF便于携带，廉价，易于保存6l顺序存储器（SAM）F所存储的内容只能按某种顺序存取F存取所需时间与物理位置有关F顺序存储器的平均存取周期较长，一般用于辅存l随机存储器（RAM）F存储器中的任意存储单元都能随机存取F存取所需时间与物理位置无关F主存主要由RAM组成2.按存取方式分类7l直接存取存储器（DAM）F介于随机和顺序之间F随机定位信息块，但对信息块是顺序读写l只读存储器(ROM)F存储器内容是预置的，固定的，无法改写F信息可长期保存2.按存取方式分类（续）8l主存储器F速度快，容量小，价格高F目前主要采用半导体存储器l辅助存储器F速度低，容量大，价格便宜F目前主要有

3、磁盘、光盘、闪存、磁盘阵列l高速缓冲存储器 CacheF放置在两个访问速度不一样的存储部件之间，用来暂存信息和数据3.按存储器在计算机中的作用分类9 存储容量：一般以字节为单位。存取速度：取数时间和存取周期。价格：用单位存储空间的价格来衡量。可靠性：用平均无故障时间来衡量。5.1.2 主存储器的主要性能指标105.1.3 存储器组成与工作原理存储器的组成v存储单元及其编址地址译码器存储矩阵输出缓冲器Dm1D0W0W1W2 1nA0A1An1三态控制信息单元(字)存储单元5.1.3 存储器组成与工作原理v主存的组成和工作原理 地地址址输输入入缓缓冲冲X X地地址址译译码码器器输入输出输入输出缓冲

4、缓冲I I/O O电路电路控制电路控制电路Y Y 地地址址译译码码器器地地址址输输入入缓缓冲冲0 0,0 01 1,0 06363,0 0.0 0,1 11 1,1 16363,1 1.0 0,63631 1,63636363,6363.存储矩阵存储矩阵6464646440964096A A0 0A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A A6 6A A7 7A A8 8A A9 9A A1010A A1111X X0 0X X1 1X X6363.Y Y0 0Y Y1 1Y Y6363DBDB R R/W WCSCScache存储器存储器主存储器主存储器(RAM和和ROM

5、)外存储器（软盘、硬盘、光盘）外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带库、光盘库）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器内存储器外存储器外存储器寄存器寄存器典型容量典型容量 越界中断页表寄存器逻辑地址L页号 块号快表由于页表放在内存，使得CPU存取一个数据时，要两次访问内存，为了提高速度，增设快表（高速缓存）。方便编程分段共享分段保护动态链接动态增长引入原因引入原因5.3.3 段式存储管理段式存储管理的基本原理段式存储管理的基本原理整个作业的地址空间被分成若干个段，每个段采用一段连整个作业的地址空间被分成若干个段，每个段采用一段连续的地址空间，段的长度由相应的逻辑信息的长度决定。续的地址空间

6、，段的长度由相应的逻辑信息的长度决定。15K 120K20K 80K30K 40K段表段号 段长 基址 10K 150K(MAIN)=030K(X)=120K(D)=215K(S)=310K内存空间0123(MAIN)=030K(X)=120K(D)=215K(S)=310K作业空间040K80K120K150K段式存储管理地址变换机构段式存储管理地址变换机构 2 10KB 100KB0 15KB 40KB1 8KB 80KB段号 段长 段始址段表MAIN=0SUB=1DATA=2015KB8KB010KB0进程地址空间操作系统40KB空闲 25KB空闲SUB=1 8KBDATA=3 10KB

7、空闲 12KBMAIN=0 15KB40KB80KB100KB内存空间段表始址 段表长度2 500逻辑地址段表寄存器102900物理地址+分页和分段的区别分页和分段的区别分页和分段的目的页是信息的物理单位，分页是系统管理的需要，而不是用户的需要。段是信息的逻辑单位，它含一组意义完整的信息。分段是为了更好地满足用户的要求。页和段长度页的大小固定，由系统确定。段的长度不固定，决定于用户所编写的程序。地址空间分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间。分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，需给出段名和段内地址。段的共享与保护段的共享与保护 由于段是信息的逻辑单位，用户易于实现对段

8、的共享，也容易对段进行保护。而页虽也可共享，但不方便。举例举例 例如有一个多用户系统，可同时容纳40个用户，它们都执行一个文本编辑程序，该文本编辑程序含有160KB的代码和40KB的数据，如不共享，共需160*40+40*40=8MB的内存空间来支持40个用户。若代码是可重入的，则无论是分页系统还是分段系统都可以共享共享该代码段，因此内存只需留一个文本编辑程序，所需空间为160+40*40=1760KB。页的共享页的共享注意：注意：页的共享要求作业地址空间的共享页必须具有相同的页号相同的页号。DATA A1EDIT1EDIT2DATA B1EDIT40DATA A100内存2021596069

9、7079DATA B10692021596001394049792021597001394049进程B的页表进程A的页表DATA A10EDIT1EDIT2EDIT40DATA A1DATA B10EDIT1EDIT2EDIT40DATA B1进程 B进程 A使用分页系统，每个页面的大小是4KB，则代码段占160/4=40个页面，数据段占40/4=10个页面段的共享段的共享进程 ADATA BDATA AEDITEDIT1 40KB 240KB段号 段长 段始址0 160KB 80KB1 40KB 380KB段号 段长 段始址0 160KB 80KBDATA BEDITDATA A内存段表进程

10、 B使用分段系统，不要求段号相同。实现段的共享数据结实现段的共享数据结构构共享进程计数共享进程计数：记录了共享某段的进程个数，设置整型变量count。存取控制：存取控制：对于一个共享，不同的进程可以有不同的存取控制权限。段号：段号：对于同一共享段，不同的进程可以使用不同的段号去共享该段。段名 段长 内存始址 状态 外存地址状态 进程名 进程号 段号 存取控制共享进程计数count共享段表共享段表项分段的分配与回收分段的分配与回收分配分配回收回收对第一个请求使用该共享段的进程，由系统为该共享段分配一物理区，再把共享段调入该区，同时将该区的始址填入该进程的段表段表的相应项中。在共享段表共享段表中增

11、加一表项，填写有关数据，置count=1；当其他进程要调用该共享段时，无需再分配内存，只需在调用进程的段表段表中增加一表项，在共共享段表享段表中，填加进程的名字等项目，令count加1。当进程不使用某共享段时，删除共享段表共享段表中有关该进程的项目，令count减1，当count=0时，回收该共享段的物理内存，删除共享段表共享段表中对应项。段名 段长 内存始址 状态 外存地址状态 进程名 进程号 段号 存取控制共享进程计数count分页系统能有效地提高内存的利用率分页系统能有效地提高内存的利用率解决外部碎片问题。解决外部碎片问题。分段系统则能更好地满足用户编程的需要分段系统则能更好地满足用户编

12、程的需要解决段的共享、解决段的共享、动态连接等问题。动态连接等问题。将两者结合起来，汲取两着的优点，产生段页式存储管理。将两者结合起来，汲取两着的优点，产生段页式存储管理。MAIN=0SUB=1DATA=208KB010KB0主程序段15KB数据段子程序段 段号（S）段内页号（P）页内位移（W）5.3.4 段页式存储管理段页式地址变换机构段页式地址变换机构 2 1 0 1 1 0段号 状态 页表长度 页表始址段表段表始址 段表长度段表寄存器 2 1 110 1 81 1 9页号 状态 块号01234567891011 3 00 1 21 1 32 1 5页号 状态 块号页表内存0 2 500逻

13、辑地址20980物理地址页的大小：4KB5*4KB+500B=2098052前面所介绍的各种存储器管理方式，都要求将一前面所介绍的各种存储器管理方式，都要求将一个作业全部装入内存方能运行，因而难以适应：个作业全部装入内存方能运行，因而难以适应：l作业的尺寸大于实际内存的容量；作业的尺寸大于实际内存的容量；l有大量的作业等待运行，但实际内存容量不足有大量的作业等待运行，但实际内存容量不足以使其全部装入；以使其全部装入；l为解决此类问题，引入了虚拟存储器，其理论为解决此类问题，引入了虚拟存储器，其理论依据是进程运行的局部性原理。依据是进程运行的局部性原理。5.3.5 虚拟存储管理531.虚拟存储技

14、术虚拟存储器是一种借助于外存空间，从而允许一个进程在其运行过程中部分地装入内存的技术。2.虚拟存储的基本原理l程序部分装入l在程序执行过程中产生缺页或缺段，请求调入l将暂时不使用的页或段置换到到外存3.虚拟存储器的实现方式 建立在离散分配存储管理方式的基础上。54l基本分页系统+请求调页+页面置换页式虚拟存储器l 硬件支持F请求分页的页表机制F缺页中断机构F地址变换机构l实现请求分页的软件请求页式存储管理请求页式存储管理55请求分页存储管理需要为每个进程分配数量合适的物理块（帧），可采用：l固定分配、局部置换l可变分配、全局置换l可变分配、局部置换请求页式存储管理请求页式存储管理56页面置换算法l最优算法l先进先出置换算法l最近最久未使用置换算法lLRU近似算法 请求页式存储管理请求页式存储管理57基本分段系统+请求调段+分段置换段式虚拟存储器l硬件支持F请求分段的段表F缺段中断F地址变换l实现请求分段的软件l请求分段可以实现动态链接，使得进入内存的断更有效，可以实现段共享。请求分段系统请求分段系统