操作系统支持《计算机组成原理课件》.ppt

1第九章第九章 操作系统支持操作系统支持2n9.1 操作系统概述n9.2 调度n9.3 存储管理39.4 虚拟存储器虚拟存储器9.4.1 虚拟存储器的基本概念虚拟存储器的基本概念 n虚拟存储器是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。n虚拟存储器指的是主存外存层次。它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。41、实地址与虚地址:为何需要提出虚拟存储器？用户编制程序时使用的地址称为虚地址或逻辑地址，其对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间；计算机物理内存的访问地址则称为实地址或物理地址，其对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间。程序进行虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位。5n逻辑地址（虚地址）：（虚地址）：由编译程序生成的，是程序的逻辑地址，其地址空间的由编译程序生成的，是程序的逻辑地址，其地址空间的大小只受到辅助存储器容量的限制。大小只受到辅助存储器容量的限制。n虚存空间程序的逻辑地址空间。n物理地址（实地址）：（实地址）：由由CPUCPU地址引脚送出，用于访问主存的地址。地址引脚送出，用于访问主存的地址。n物理存储空间CPUCPU地址总线的宽度为地址总线的宽度为m m位，那么物理存储空间的大小用位，那么物理存储空间的大小用2 2m m来表示。来表示。62、虚存的访问原理 虚存空间的用户程序按照虚地址编程并存放在辅存中。程序运行时，由地址变换机构依据当时分配给该程序的实地址空间把程序的一部分调入实存。每次访存时，首先判断该虚地址所对应的部分是否在实存中：如果是，则进行地址转换并用实地址访问主存；否则，按照某种算法将辅存中的部分程序调度进内存，再按同样的方法访问主存（说明：实存、内存、主存同一个硬件的称谓）。由此可见，每个程序的虚地址空间可以远大于实地址空间，也可以远小于实地址空间。前一种情况以提高存储容量为目的，后一种情况则以地址变换为目的。后者通常出现在多用户或多任务系统中：实存空间较大，而单个任务并不需要很大的地址空间，较小的虚存空间则可以缩短指令中地址字段的长度。7有了虚存机制后，应用程序就可以透明的使用整个虚存空间。在主存命中率很高，虚存的访问时间接近于主存访问时间，而虚存大小依赖于辅存大小注意：虚存是一个概念模型而非物理实体虚存对系统程序员不透明，对应用程序员透明83、cache与虚存的异同从虚存的概念可以看出，主存辅存的访问机制与cache主存的访问机制是类似的。这是由cache存储器、主存和辅存构成的三级存储体系中的两个层次。cache和主存之间以及主存和辅存之间分别有辅助硬件和辅助软硬件负责地址变换与管理，以便各级存储器能够组成有机的三级存储体系。cache和主存构成了系统的内存，而主存和辅存依靠辅助软硬件的支持构成了虚拟存储器。9主存辅存和主存辅存和cachecache主存的相同点主存的相同点n出发点相同：出发点相同：二者都是为了提高存储系统的性能价格比而构造的分层存储体系，都力图使存储系统的性能接近高速存储器，而价格和容量接近低速存储器。n原理相同：原理相同：都是利用了程序运行时的局部性原理把最近常用的信息块从相对慢速而大容量的存储器调入相对高速而小容量的存储器。10主存辅存和主存辅存和cachecache主存的不同点主存的不同点n侧重点不同：侧重点不同：cache主要解决主存与CPU的速度差异问题；而就性能价格比的提高而言，虚存主要是解决存储容量问题，另外还包括存储管理、主存分配和存储保护等方面。n数据通路不同：数据通路不同：CPU与cache和主存之间均有直接访问通路，cache不命中时可直接访问主存；而虚存所依赖的辅存与CPU之间不存在直接的数据通路，当主存不命中时只能通过调页解决，CPU最终还是要访问主存。11主存辅存和主存辅存和cachecache主存的不同点主存的不同点n透明性不同：透明性不同：cache的管理完全由硬件完成，对系统程序员和应用程序员均透明；而虚存管理由操作系统和硬件共同完成，由于软件的介入，虚存对实现存储管理的系统程序员不透明，而只对应用程序员透明。n未命中时的损失不同未命中时的损失不同由于主存的存取时间是cache的存取时间的510倍，而主存的存取速度通常比辅存的存取速度快上千倍，故主存未命中时系统的性能损失要远大于cache未命中时的损失。124、虚存机制要解决的关键问题(1)调度问题：决定哪些程序和数据应被调入主存。(2)地址映射问题：在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（这一过程称为内地址变换）；在访问辅存时把虚地址变成辅存的物理地址（这一过程称为外地址变换），以便换页。此外还要解决主存分配、存储保护与程序再定位等问题。(3)替换问题：决定哪些程序和数据应被调出主存。(4)更新问题：确保主存与辅存的一致性。在操作系统的控制下，硬件和系统软件为用户解决了上述问题，从而使应用程序的编程大大简化。139.4.2 9.4.2 页式虚拟存储器页式虚拟存储器1 1、页式虚存地址映射、页式虚存地址映射 页式虚拟存储系统中，虚地址空间被分成等长大小的页，称为逻辑页；主存空间也被分成同样大小的页，称为物理页。相应地，虚地址分为两个字段：高字段为逻辑页号，低字段为页内地址（偏移量）；实存地址也分两个字段：高字段为物理页号，低字段为页内地址。通过页表可以把虚地址（逻辑地址）转换成物理地址。14n假设逻辑页号为假设逻辑页号为0，1，2，m，物理页号为，物理页号为0，1，n，显然有，显然有mn，由于页的大小都，由于页的大小都取取2的整数幂个字，所以，页的起点都落在低的整数幂个字，所以，页的起点都落在低位字段为零的地址上。位字段为零的地址上。n虚存地址虚存地址分为两个字段：高位字段为逻辑页号，分为两个字段：高位字段为逻辑页号，低位字段为页内行地址。低位字段为页内行地址。n实存地址实存地址也分两个字段：高位字段为物理页号，也分两个字段：高位字段为物理页号，低位字段为页内行地址。由于两者的页面大小低位字段为页内行地址。由于两者的页面大小一样，所以一样，所以页内行地址是相等的。页内行地址是相等的。n页式虚拟存储器的地址映射过程见下图。页式虚拟存储器的地址映射过程见下图。15图9.5 页式虚拟存储器的地址映射过程演示动画16n在大多数系统中，每个进程对应一个页表。页表中对应每一个虚存页面有一个表项，表项的内容包含该虚存页面所在的主存页面的地址（物理页号），以及指示该逻辑页是否已调入主存的有效位。地址变换时，用逻辑页号作为页表内的偏移地址索引页表（将虚页号看作页表数组下标）并找到相应物理页号，用物理页号作为实存地址的高字段，再与虚地址的页内偏移量拼接，就构成完整的物理地址。现代的中央处理机通常有专门的硬件支持地址变换。n每个进程所需的页数并不固定，所以页表的长度是可变的，因此通常的实现方法是把页表的基地址保存在寄存器中，而页表本身则放在主存中。由于虚存地址空间可以很大，因而每个进程的页表有可能非常长。例如，如果一个进程的虚地址空间为2G字节，每页的大小为512字节，则总的虚页数为231/29=222。182、转换后援缓冲器、转换后援缓冲器n由于页表通常在主存中，因而即使逻辑页已经在主存中，也至少要访问两次物理存储器才能实现一次访存，这将使虚拟存储器的存取时间加倍。为了避免对主存访问次数的增多，可以对页表本身实行二级缓存，把页表中的最活跃的部分存放在高速存储器中，组成快快表表。这个专用于页表缓存的高速存储部件通常称为转换后援缓冲器(TLB)。保存在主存中的完整页表则称为慢表慢表。19图9.6 TLB的地址映射过程演示动画20例题：如下图表示用快表（页表）的虚实地址转换条件，快表放在相联存贮器中，其容量为8个存贮单元，问：（1）当CPU按虚拟地址1去访问主存时主存的实地址码是多少？（2）当CPU按虚拟地址2去访问主存时主存的实地址码是多少？（3）当CPU按虚拟地址3去访问主存时主存的实地址码是多少？213、内页表和外页表、内页表和外页表 页表是虚地址到主存物理地址的变换表，通常称为内页表。与内页表对应的还有外页表，用于虚地址与辅存地址之间的变换。当主存缺页时，调页操作首先要定位辅存，而外页表的结构与辅存的寻址机制密切相关。例如对磁盘而言，辅存地址包括磁盘机号、磁头号、磁道号和扇区号等。229.4.3 9.4.3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器1、段式虚拟存储器段式虚拟存储器n在段式虚拟存储系统中，段是按照程序的逻辑结构划分的，各个段的长度因程序而异，虚拟地址由段号和段内地址组成。23n为了把虚拟地址变换成实主存地址，需要一个为了把虚拟地址变换成实主存地址，需要一个段表，装入位为段表，装入位为“1”表示该段已调入主存，表示该段已调入主存，为为“0”则表示该段不在主存中；段的长度可则表示该段不在主存中；段的长度可大可小，所以，大可小，所以，段表中需要有长度指示段表中需要有长度指示。n在访问某段时，如果段内地址值超过段的长度，在访问某段时，如果段内地址值超过段的长度，则发生地址则发生地址越界中断越界中断。段表也是一个段，可以。段表也是一个段，可以存在外存中，需要时再调入主存。但一般是驻存在外存中，需要时再调入主存。但一般是驻留在主存中留在主存中。图9.7 段式虚存的地址映射过程动画演示25段式虚拟存储器的优缺点段式虚拟存储器的优缺点n优点：段的逻辑独立性使其易于编译、管理、修改和保护，也便于多道程序共享。段长可以根据需要动态改变，允许自由调度，以便有效利用主存空间。n缺点：因为段的长度不固定，主存空间分配比较麻烦。容易在段间留下许多外碎片，造成存储空间利用率降低。由于段长不一定是2的整数次幂，因而不能简单地像分页方式那样用虚地址和实地址的最低若干二进制位作为段内偏移量，并与段号进行直接拼接，必须用加法操作通过段起址与段内偏移量的求和运算求得物理地址。因此，段式存储管理比页式存储管理方式需要更多的硬件支持。262、段页式虚拟存储器、段页式虚拟存储器n段段页页式式虚虚拟拟存存储储器器是是段段式式虚虚似似存存储储器器和和页页式式虚虚拟拟存存储储器器的结合。的结合。n在在这这种种方方式式中中，把把程程序序按按逻逻辑辑单单位位分分段段以以后后，再再把把每每段段分分成成固固定定大大小小的的页页。程程序序对对主主存存的的调调入入调调出出是是按按页页面面进进行行的，但它又可以按段实现共享和保护。的，但它又可以按段实现共享和保护。n因因此此，它它可可以以兼兼取取页页式式和和段段式式系系统统的的优优点点。它它的的缺缺点点是是在地址映象过程中需要多次查表。在地址映象过程中需要多次查表。n目前，大中型机一般都采用这种段页式存储管理方式目前，大中型机一般都采用这种段页式存储管理方式。27n多道程序：多道程序：如果有多个用户在机器上独立运行就称为如果有多个用户在机器上独立运行就称为多道程序。多道程序。n多道程序的每一道（每个用户）需要一个基号（用户多道程序的每一道（每个用户）需要一个基号（用户标志号），可由它指明该道程序的段表起始地址（存标志号），可由它指明该道程序的段表起始地址（存放在基址寄存器中）。放在基址寄存器中）。n这样，虚拟地址应包括基号、段号、页号、页内地址。这样，虚拟地址应包括基号、段号、页号、页内地址。格式如下：格式如下：基号 段号 页号 页内地址28例例1：今今假假设设有有三三道道程程序序（用用户户标标志志号号为为A，B，C），其其基基址址寄寄存存器器内内容容分分别别为为SA，SB，SC，逻逻辑辑地地址址到到物物理理地地址址的的转转移移过过程程见见下下图图。在在主主存存中中，每每道道程程序序都都有有一一张张段段表表，A程程序序有有4段段，C程程序序有有3段段。每每段段应应有有一一张张页页表表，段段表表的的每每行行就就表表示示相相应应页页表表的的起起始始位位置置，而而页页表表内内的的每每行行即即为为相相应应的的物理页号。物理页号。解：地址转换过程如下：解：地址转换过程如下：（1）根根据据基基号号C，执执行行SC（基基址址寄寄存存器器内内容容）加加1（段段号号）操作，得到段表相应行地址，其内容为页表的起始地址操作，得到段表相应行地址，其内容为页表的起始地址b。（2）执执行行b（页页表表起起始始地地址址）+2（页页号号），得得到到物物理理页页号的地址，其内容即为物理页号号的地址，其内容即为物理页号10。（3）物理页号与页内地址拼接即得物理地址。）物理页号与页内地址拼接即得物理地址。图9.8 段页式虚存的地址变换过程309.4.4 替换算法替换算法n虚拟存储器中的页面替换策略和cache中的行替换策略有很多相似之处，但有三点显著不同：(1)缺页至少要涉及一次磁盘存取，读取所缺的页，缺页使系统蒙受的损失要比cache未命中大得多。(2)页面替换是由操作系统软件实现的。(3)页面替换的选择余地很大，属于一个进程的页面都可替换。31例例2 2 假设主存只有假设主存只有a,b,ca,b,c三个页框，组成三个页框，组成a a进进c c出的出的FIFOFIFO队列，进程访问页面的序列是队列，进程访问页面的序列是0 0，1 1，2 2，4 4，2 2，3 3，0 0，2 2，1 1，3 3，2 2号。若采用号。若采用FIFOFIFO算法，算法，FIFOFIFO算法算法+LRU+LRU算法，用列表法分别求两种替换策算法，用列表法分别求两种替换策略情况下的命中率。略情况下的命中率。n【解】求解表格如下所示求解表格如下所示32例：在页式虚拟存储器中，若主存容量为例：在页式虚拟存储器中，若主存容量为16MB16MB，页面容量为页面容量为4KB4KB，程序地址空间为，程序地址空间为1G1G，问虚页，问虚页号有多少位？页表长度为多少？页内地址有多号有多少位？页表长度为多少？页内地址有多少位？少位？n解：由于页面容量为解：由于页面容量为4KB=24KB=21212B B，程序地址，程序地址空间空间=1GB=2=1GB=23030B B，故虚页号位数，故虚页号位数=30-12=18=30-12=18，页表长度，页表长度=2=21818行，页内地址为行，页内地址为1212位。位。33n例：例：设主存容量设主存容量4MB4MB，虚存容量，虚存容量1GB1GB，页面大小为，页面大小为4KB4KB。1 1、写出主存地址格式。、写出主存地址格式。2 2、写出虚拟地址格式。、写出虚拟地址格式。3 3、页表长度为多少？、页表长度为多少？n解：解：n主存地址格式为：主存地址格式为：n虚拟地址格式为：虚拟地址格式为：n页表长度为页表长度为2 21818=256K=256K。页号（10位）页内地址（12位）21 12 11 0 页面号（18位）页内地址（12位）29 12 11 0349.5 存储保护存储保护n存储区域保护n访问方式保护359.5.1 存储区域保护n当多个用户共享主存时，应防止由于一当多个用户共享主存时，应防止由于一个用户程序出错而破坏其他用户的程序个用户程序出错而破坏其他用户的程序和系统软件和系统软件,以及一个用户程序不合法地以及一个用户程序不合法地访问不是分配给它的主存区域。访问不是分配给它的主存区域。n在虚拟存储系统中，通常采用在虚拟存储系统中，通常采用页表保护页表保护、段表保护段表保护和和键式保护键式保护方法。方法。361.1.页表保护和段表保护页表保护和段表保护 n 每个程序的段表和页表本身都有自己的保护功能。每个程序的段表和页表本身都有自己的保护功能。n 每个程序的虚拟地址空间是独立的。那么只要地址映射每个程序的虚拟地址空间是独立的。那么只要地址映射不出问题，不论虚地址如何出错，也只能影响到相对的几不出问题，不论虚地址如何出错，也只能影响到相对的几个主存页面。不会侵犯其他程序空间。个主存页面。不会侵犯其他程序空间。n 段表和页表的保护功能相同，但段表中除包括段表起点段表和页表的保护功能相同，但段表中除包括段表起点外，还包括段长，偏移量超过段长操作系统进行外，还包括段长，偏移量超过段长操作系统进行“地址越地址越界界”中断处理。中断处理。37图9.9 段页式虚拟存储系统中段表保护方式的实现过程382.2.键保护方式键保护方式n这种方法是为主存的每一页配一个键，称为这种方法是为主存的每一页配一个键，称为存储存储键键，相当于一把，相当于一把“锁锁”。为了打开这个锁。为了打开这个锁,必须必须有钥匙，称为有钥匙，称为访问键访问键。n访问键赋予每道程序，并保存在该道程序的状态访问键赋予每道程序，并保存在该道程序的状态寄存器中。当数据要写入主存的某一页时，访问寄存器中。当数据要写入主存的某一页时，访问键要与存储键相比较。若两键相符，则允许访问键要与存储键相比较。若两键相符，则允许访问该页，否则拒绝访问。该页，否则拒绝访问。n另外还有另外还有取数保护键取数保护键，为每个页面设置一个取数，为每个页面设置一个取数键寄存器。键寄存器。39n3.环保护方式n 环保护方式可以做到对正在执行的程序本身的核心部环保护方式可以做到对正在执行的程序本身的核心部分或关键部分进行保护。它是按分或关键部分进行保护。它是按系统程序和用户程序的重系统程序和用户程序的重要性要性及及对整个系统的正常运行的影响程度对整个系统的正常运行的影响程度进行分层，每一进行分层，每一层叫做一个环。层叫做一个环。n 在现行程序运行前由操作系统定好程序各页的环号，在现行程序运行前由操作系统定好程序各页的环号，并置入页表中。然后把该道程序的开始环号送入并置入页表中。然后把该道程序的开始环号送入CPUCPU的的现现行环号寄存器行环号寄存器。程序可以访问任何外层空间；访问内层空。程序可以访问任何外层空间；访问内层空间则需间则需由操作系统的环控例行程序判断这个向内访问是否由操作系统的环控例行程序判断这个向内访问是否合法合法。409.5.2 访问方式保护 n对主存信息的使用可以有三种方式对主存信息的使用可以有三种方式:读读(R)(R)、写写(W)(W)和执行和执行(E),(E),相应的访问方式保护就有相应的访问方式保护就有R R，W W，E E三种方式形成的逻辑组合三种方式形成的逻辑组合.这些访问方式保护通这些访问方式保护通常作为程序状态寄存器的保护位，并且和区域保常作为程序状态寄存器的保护位，并且和区域保护结合起来实现。护结合起来实现。