第3章存储器管理.ppt
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1、操作系统原理教程第3章 存储器管理本章教学目标l熟悉存储管理的基本功能l掌握各种存储管理方式下主存分配与回收、地址转换与存储保护、管理特点l熟悉在各种存储管理方式下提高主存利用率的方法 本章主要内容l3.1 存储器管理概述 l3.2 单用户连续存储管理方式 l3.3 固定分区存储管理方式 l3.4 可变分区存储管理方式 l3.5 页式存储管理方式 l3.6 段式存储管理方式 l3.7 段页式存储管理方式 l3.8 虚拟存储管理方式 3.1存储器管理概述l3.1.1 存储器管理的主要任务 l3.1.2 存储器管理的主要功能 l3.1.3 程序的装入与链接 l3.1.4 存储管理方式 3.1.1存
2、储器管理的主要任务l存储管理的主要任务是尽可能方便用户和提高主存储器的使用效率,使主存储器在成本、速度和规模之间获得较好的权衡。3.1.2存储器管理的主要功能l1主存空间的分配和回收 l2地址转换 l3主存空间的共享与保护 l4主存空间的扩充 3.1.3程序的装入与链接l1源程序的执行过程 l2程序的链接 l3程序的装入 1源程序的执行过程l通常要经过编译、链接和装入几个步骤,其控制示意如图3-1所示。l(1)编译。由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块。l(2)链接。由链接程序将编译后形成的目标模块以及它们所需要的库函数,链接在一起,形成一个装入模块。l(3)装入。由装入程序将装入模块装
3、入主存的过程。2程序的链接l链接程序的功能是将经过编译或汇编后所得到的一组目标模块以及它们所需要的库函数,装配成一个完整的装入模块。l实现链接的方法有三种静态链接:事先进行链接,以后不再拆开的链接方式 装入时动态链接:用户源程序经编译后所得到的目标模块,是在装入主存时,边装入边链接的。运行时动态链接:可将某些目标模块的链接,推迟到执行时才进行。3程序的装入l程序的装入就是把程序装入内存空间。l采用三种方式(1)绝对装入方式:是由装入程序根据装入模块中的地址,将程序和数据装入主存。(2)可重定位方式:是由装入程序根据主存当前的实际使用情况,将装入模块装入到主存适当的地方。(3)动态运行时装入方式
4、:动态运行时的装入程序,在把装入模块装入主存后,并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址,而是把这种地址转换推迟到程序要真正执行时才进行。3.1.4存储管理方式l单用户连续存储管理方式 l固定分区存储管理方式 l可变分区存储管理方式 l页式存储管理方式 l段式存储管理方式 l段页式存储管理方式 l虚拟存储管理方式3.2单用户连续存储管理方式l3.2.1 基本原理 l3.2.2 主存空间的分配与回收 l3.2.3 地址转换与存储保护 l3.2.4 管理特点 3.2.1基本原理l这是最早出现的一种存储管理方式。l在主存中仅驻留一道程序,整个用户区为一用户独占。当用户作业空间大于用户区时,该作业
5、不能装入。l这种分配方式仅能用于单用户、单任务的操作系统中,不能用于多用户系统和单用户多任务系统中。3.2.2主存空间的分配与回收l1主存空间的分配 采用这种存储管理方式时,主存分为两个分区(系统区 和用户区),如图3-4所示。其分配过程是:首先,从作业队列中取出队首作业;判断作业的大小是否大于用户区的大小,若大于则作业不能装入,否则,可以把作业装入用户区。它一次只能装入一个作业。其主存分配流程如图3-5所示。l2主存空间的回收作业一旦进入主存,就要等到它结束后才能释放主存,再装入第二个作业即可。3.2.3地址转换与存储保护l1地址转换l2存储保护1地址转换l它采用静态分配方式。l处理器设置两
6、个寄存器:界限寄存器和重定位寄存器。界限寄存器用来存放主存用户区的长度,重定位寄存器用来存放用户区的起始地址。l地址转换过程是:CPU获得的逻辑地址首先与界限寄存器的值比较,若大于界限寄存器的值,产生“地址越界”中断信号,由相应的中断处理程序处理;若不大于界限寄存器的值,就与重定位寄存器中的基址相加,得到物理地址,对应于主存中的一个存储单元。l其转换过程如图3-6所示。2存储保护l处理器在执行指令时,要检查其逻辑地址是否小于界限寄存器的值,若小于,则与重定位寄存器中的基址相加,产生物理地址,到主存中去执行。否则,产生一个“地址越界”中断信号,由操作系统进行处理,以达到存储保护的目的。3.2.4
7、管理特点l(1)管理简单。它把主存分为两个区,用户区一次只能装入一个完整的作业,且占用一个连续的存储空间。它需要很少的软硬件支持,且便于用户了解和使用。l(2)在主存中的作业不必考虑移动的问题,并且主存的回收不需要任何操作。l(3)资源利用率低。不管用户区有多大,它一次只能装入一个作业,这样造成了存储空间的浪费,使系统整体资源利用率不高。l(4)这种分配方式不支持虚拟存储器的实现。3.3固定分区存储管理方式l3.3.1 基本原理 l3.3.2 主存空间的分配与回收 l3.3.3 地址转换与存储保护 l3.3.4 管理特点l3.3.5 对固定分区存储管理方式的改进 l3.3.6 固定分区存储管理
8、举例 3.3.1基本原理l把主存中可分配的用户区域预先划分成若干个固定大小的区域,每一个区域称为一个分区,每个分区中可以装入一个作业,一个作业也只能装入一个分区中,这样可以装入多个作业,使它们并发执行。当有一个空闲分区时,便可从外存的后备队列中,选择一个适当大小的作业装入该分区;当该作业运行完时,又可从后备队列中选择另一个作业装入该分区。l固定分区存储管理方式是最早使用的一种可运行多道程序的存储管理方式。l它仍然要求把作业全部装入主存,且装入一个连续的存储空间。3.3.2主存空间的分配与回收l1采用的数据结构 l2主存空间的分配 l3主存空间的回收 1采用的数据结构l为了记录各个分区的基本情况
9、和使用情况,方便主存空间的分配与回收操作,设置了一张分区分配表。分区分配表的内容包括:分区序号、起始地址、大小、状态。状态栏的值为“0”表示分区空闲,可以装入作业;当装入作业后,其值改为作业名,表示这个分区被该作业占有。l如表3-1所示。2主存空间的分配l在作业分配之前,根据主存分区的划分,在分区分配表填入每个分区的始址、大小,在状态栏中一律填入“0”,表示该分区可用,当作业装入时,填入作业名。l当有作业申请主存空间时,主存空间的分配步骤为:从作业队列中取出队首作业,检查分区分配表,选择状态标志为“0”的分区,根据作业地址空间的大小与状态标志为“0”的分区的大小比较,当所有分区长度都不能容纳该
10、作业时,则该作业暂时不能装入,显示主存不足的信息。当某一个分区长度能容纳该作业时,则把作业装入该分区,且把作业名填到该分区的状态栏里。然后,再分配下一个作业。l主存分配流程如图3-7所示。3主存空间的回收l当作业运行结束时,根据作业名到分区分配表中进行检查,从状态栏的记录可知该作业占用的分区,把该分区的状态标志置成“0”,表示该分区就空闲了,可以用来装入新的作业。3.3.3地址转换与存储保护l1地址转换 l2存储保护 1地址转换l采用静态重定位方式。l处理器设置两个寄存器:下限寄存器和上限寄存器。下限寄存器用来存放分区低地址,即起始地址;上限寄存器用来存放分区的高地址,即末址。l地址转换过程C
11、PU获得的逻辑地址首先与下限寄存器的值相加,产生物理地址;然后与上限寄存器的值比较,若大于上限寄存器的值,产生“地址越界”中断信号,由相应的中断处理程序处理;若不大于界限寄存器的值,得到物理地址就是合法地址,它对应于主存中的一个存储单元。l地址转换过程如图3-10所示。2存储保护l系统设置了一对寄存器,称为“下限寄存器”和“上限寄存器”记录当前在CPU中运行作业在主存储器中的下限和上限地址。l当处理机执行该作业的指令时必须核对表达式“下限地址=绝对地址=上限地址”是否成立。若成立,就执行该指令,否则就产生“地址越界”中断事件,停止执行该指令。l运行的作业在让出处理器时,调度程序选择另一个可运行
12、的作业,同时修改当前运行作业的分区号和下限、上限寄存器的内容,以保证处理器能控制作业在所在的分区内正常运行。3.3.4管理特点l(1)一个作业只能装入一个分区,不能装入两个或多个相邻的分区。一个分区只能装入一个作业,当分区大小不能满足作业的要求时,该作业暂时不能装入。l(2)通过对“分区分配表”的改写,来实现主存的分配与回收。作业在执行时,不会改变存储区域,所以采用静态地址重定位方式。此方法易于实现,系统开销小。l(3)当分区较大作业较小时,仍然浪费许多主存空间。并且分区总数固定,限制了并发执行的作业数目。3.3.5对固定分区存储管理方式的改进l一个分区只装入一个作业,分区的其它部分闲置不用,
13、降低了主存的利用率。可采用下列算法提高主存的利用率:(1)根据经常出现的作业的大小和数量来划分分区,尽可能使各个分区充分利用。(2)划分分区时按分区的大小顺序排列,低地址部分是较小的分区,高地址部分是较大的分区。各分区按从小到大的顺序登记在分区表中。(3)按作业对主存的需求量排成多个作业队列,一个作业队列对应一个分区,互不借用。3.3.6固定分区存储管理举例l【例3-1】在某系统中采用固定分区分配管理方式,主存分区(单位字节)情况如图3-9(a)所示。现有大小为1KB、9KB、33KB、121KB的多个作业要求进入主存,试画出它们进入主存后的空间分配情况,并说明主存浪费有多大?3.4可变分区存
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