第3章存储器管理.ppt

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1、第 3章 存储器管理 操作系统教程第 3章 存储器管理 第第 3 章存储器管理章存储器管理3.1 存储器管理概述存储器管理概述3.2 单用户连续存储管理方式单用户连续存储管理方式3.3 固定分区存储管理方式固定分区存储管理方式3.4 可变分区存储管理方式可变分区存储管理方式3.5 分页式存储管理方式分页式存储管理方式3.6 分段式存储管理方式分段式存储管理方式3.7 段页式存储管理方式段页式存储管理方式3.8 虚拟存储管理方式虚拟存储管理方式第 3章 存储器管理 3.1 存储器管理概述存储器管理概述 存储管理的主要任务是尽可能方便用户和提高主存储器存储管理的主要任务是尽可能方便用户和提高主存储

2、器的使用效率，使主存储器在成本、速度和规模之间获得较的使用效率，使主存储器在成本、速度和规模之间获得较好的权衡。好的权衡。3.1.1 存储器管理的主要功能存储器管理的主要功能 1主存空间的分配和回收主存空间的分配和回收 2地址转换地址转换 3主存空间的共享与保护主存空间的共享与保护 4主存空间的扩充主存空间的扩充第 3章 存储器管理 3.1.2 存储器的层次存储器的层次 目前，计算机均采用分层结构的存储子系统，以便在容量、速度目前，计算机均采用分层结构的存储子系统，以便在容量、速度和价格等因素中获得较好的性价比。和价格等因素中获得较好的性价比。图中，上面的速度快，下面的容量大。寄存器、高速缓存

3、、主存图中，上面的速度快，下面的容量大。寄存器、高速缓存、主存和磁盘缓存属于和磁盘缓存属于OS存储管理范围，掉电后数据丢失；固定磁盘和可移存储管理范围，掉电后数据丢失；固定磁盘和可移动存储介质属于设备管理范围，数据可长期保存；磁盘缓存本身并不动存储介质属于设备管理范围，数据可长期保存；磁盘缓存本身并不是一种实际存在的存储介质，它依托于固定磁盘，提供对主存空间的是一种实际存在的存储介质，它依托于固定磁盘，提供对主存空间的扩充。扩充。寄存器寄存器高速缓存高速缓存主存储器主存储器磁盘缓存磁盘缓存固定磁盘固定磁盘可移动存储介质可移动存储介质存储管理设备管理第 3章 存储器管理 寄存器访问速度最快且最昂

4、贵，它容量小，以字寄存器访问速度最快且最昂贵，它容量小，以字（word）为单位。一个计算机系统可能包括几十个至上百）为单位。一个计算机系统可能包括几十个至上百个寄存器，用于提高存储访问速度。比如，用寄存存放操个寄存器，用于提高存储访问速度。比如，用寄存存放操作数，或用地址寄存器加快地址转换速度。作数，或用地址寄存器加快地址转换速度。高速缓存的容量稍大，速度快于主存，利用它存放主高速缓存的容量稍大，速度快于主存，利用它存放主存中马上要访问的指令，可大大提高执行速度。主存的速存中马上要访问的指令，可大大提高执行速度。主存的速度为度为1s，高速，高速缓存存为0.1s。要要执行的程序必行的程序必须先装

5、入主存，根据局部性原理，只先装入主存，根据局部性原理，只要将程序的一部分装入主存就可以要将程序的一部分装入主存就可以执行，其余部分放在磁行，其余部分放在磁盘缓存。存。第 3章 存储器管理 高速缓存（高速缓存（cache）高速缓存是现代计算机结构中的一个重要部件。高速缓存是现代计算机结构中的一个重要部件。有些有些cache由硬件实现由硬件实现 如，指令如，指令cache，用于暂存下一条欲执行的指令，纯硬，用于暂存下一条欲执行的指令，纯硬件件cache不需要不需要os控制。控制。有些有些cache由程序员、编译系统和由程序员、编译系统和os实现实现 如，快表。如，快表。在采用在采用cache的系统

6、中，要注意解决数据的一致性问题。的系统中，要注意解决数据的一致性问题。因为这时数据可能出现在不同的层次上。在多处理机的环因为这时数据可能出现在不同的层次上。在多处理机的环境中，情况会更复杂。境中，情况会更复杂。第 3章 存储器管理 3.1.3 地址转换地址转换 源程序经过编译后得到的目标程序存在于它所限定的源程序经过编译后得到的目标程序存在于它所限定的地址范围内，这个范围称为地址空间。它总是从地址范围内，这个范围称为地址空间。它总是从0开始编开始编址，是一个相对于实际起始地址的相对地址，也称为逻辑址，是一个相对于实际起始地址的相对地址，也称为逻辑地址。当将其装入内存后得到的地址才是其真正的内存

7、存地址。当将其装入内存后得到的地址才是其真正的内存存储地址，这个地址称为物理地址或绝对地址。储地址，这个地址称为物理地址或绝对地址。把程序和数据的逻辑地址转换为物理地址的过程称为把程序和数据的逻辑地址转换为物理地址的过程称为地址转换或重定位。地址转换有两种方式，一种方式是在地址转换或重定位。地址转换有两种方式，一种方式是在作业装入时由作业装入程序实现地址转换，称为静态地址作业装入时由作业装入程序实现地址转换，称为静态地址转换；另一种方式是在程序执行时实现地址转换，称为动转换；另一种方式是在程序执行时实现地址转换，称为动态地址转换。态地址转换。第 3章 存储器管理 1静态重定位静态重定位 静态重

8、定位是在程序执行之前，由作业装入程序将程静态重定位是在程序执行之前，由作业装入程序将程序装入内存，同时实现地址转换。一旦确定下来的地址就序装入内存，同时实现地址转换。一旦确定下来的地址就不再改变。不再改变。LOAD A,12500 36510000110001250015000LOAD A,2500 3655000010002500图图3-2 作业装入主存时的情况作业装入主存时的情况作业主存第 3章 存储器管理 特点：静态重定位程序在内存中不能移动，而且必须连续存放。特点：静态重定位程序在内存中不能移动，而且必须连续存放。优点：不需要增加硬件地址变换装置，实现简单。优点：不需要增加硬件地址变换

9、装置，实现简单。缺点：缺点：程序占用连续的存储空间。程序占用连续的存储空间。如果没有足够大的连续空间，作业只能等待。如果没有足够大的连续空间，作业只能等待。不能实现虚拟存储技术。不能实现虚拟存储技术。因为程序只能一次完全装入内存。因为程序只能一次完全装入内存。无法实现程序的共享。无法实现程序的共享。不能寻址存储区，每个程序的寻址范围只在自己的存储区范不能寻址存储区，每个程序的寻址范围只在自己的存储区范围内。围内。第 3章 存储器管理 2动态重定位动态重定位 动态重定位是在程序执行过程中，随着每条指令和数据的访动态重定位是在程序执行过程中，随着每条指令和数据的访问自动地连续地进行转换，这种重定位

10、的实现需要硬件的帮助，问自动地连续地进行转换，这种重定位的实现需要硬件的帮助，一般是靠硬件地址变换机构实现的。一般是靠硬件地址变换机构实现的。特点：动态重定位程序在内存中可不连续存放，并可在内存中移动。特点：动态重定位程序在内存中可不连续存放，并可在内存中移动。优点：优点：可以对主存不连续分配，灵活、方便，存储效率高。可以对主存不连续分配，灵活、方便，存储效率高。可以实现虚拟存储技术。可以实现虚拟存储技术。可以实现程序的共享。可以实现程序的共享。缺点：缺点：需要增加硬件（界限寄存器、页表寄存器）。需要增加硬件（界限寄存器、页表寄存器）。实现存储管理的软件算法比较复杂。实现存储管理的软件算法比较

11、复杂。第 3章 存储器管理 3.1.4 存储管理方式存储管理方式全部装入全部装入部分装入部分装入连续分配连续分配单用户连续存储管理方式单用户连续存储管理方式分区分配分区分配固定分区存储管理方式固定分区存储管理方式可变分区存储管理方式可变分区存储管理方式分页式存储管理方式分页式存储管理方式分段式存储管理方式分段式存储管理方式段页式存储管理方式段页式存储管理方式非连续分配非连续分配 请求分页式虚拟存储管理方式请求分页式虚拟存储管理方式请求分段式虚拟存储管理方式请求分段式虚拟存储管理方式图图3-3 存储管理方式层次图存储管理方式层次图第 3章 存储器管理 3.2 单用户连续存储管理方式单用户连续存储

12、管理方式 3.2.1 基本原理基本原理 单用户连续存储管理方式是一种最简单的存储管理方单用户连续存储管理方式是一种最简单的存储管理方式，在这种管理方式下，在主存中仅驻留一道程序，整式，在这种管理方式下，在主存中仅驻留一道程序，整个用户区为一个用户所独占。当用户作业空间大于用户个用户区为一个用户所独占。当用户作业空间大于用户区时，该作业不能装入。这种分配方式仅能用于单用户、区时，该作业不能装入。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。任务系统中。第 3章 存储器管理 3.2.2 主存空间的分配与回收主

13、存空间的分配与回收1主存空间的分配主存空间的分配 主存空间分为两个区：系统区和用户区。主存空间分为两个区：系统区和用户区。（1）系统区）系统区 供操作系统使用，操作系统的常驻内存部分存放在这供操作系统使用，操作系统的常驻内存部分存放在这里。比如，里。比如，DOS的的文件（内部命令解释程文件（内部命令解释程序）。序）。（2）用户区）用户区 存放用户作业。只能存放一道作业，并且这个程序不存放用户作业。只能存放一道作业，并且这个程序不能大于内存容量。能大于内存容量。第 3章 存储器管理 2主存空间的回收主存空间的回收 程序执行完毕，系统全部回收所有主存空间，再分配程序执行完毕，系统全部回收所有主存空

14、间，再分配给下一个作业。给下一个作业。（只要设置一个状态：（只要设置一个状态：“空空”或或“不空不空”）第 3章 存储器管理 3.2.2 管理特点管理特点 简单：一次全部分配，一次全部回收。简单：一次全部分配，一次全部回收。资源利用率低：每次只运行一个作业。资源利用率低：每次只运行一个作业。第 3章 存储器管理 3.3 固定分区存储管理方式固定分区存储管理方式 3.3.1 基本原理基本原理 将用户区划分为多个固定大小的区域，每个区域称为将用户区划分为多个固定大小的区域，每个区域称为一个分区，每个分区可装入一个作业，每个作业只能装入一个分区，每个分区可装入一个作业，每个作业只能装入一个分区。一个

15、分区。分区的划分方法：分区的划分方法：1分区大小相等分区大小相等 优点：划分方法简单。优点：划分方法简单。缺点：大分区放小程序缺点：大分区放小程序浪费浪费 小分区放大程序小分区放大程序程序无法运行程序无法运行 2分区大小不等分区大小不等 在主存中划分出多个较小的分区、适量的中等分区及在主存中划分出多个较小的分区、适量的中等分区及少量的大分区。这样就可以满足不同大小程序的要求。少量的大分区。这样就可以满足不同大小程序的要求。第 3章 存储器管理 3.3.2 主存空间的分配与回收主存空间的分配与回收1采用的数据结构采用的数据结构 设置了一张分区分配表。分区分配表的内容包括分设置了一张分区分配表。分

16、区分配表的内容包括分区号、起始地址、大小、状态。分区表如下表所示。区号、起始地址、大小、状态。分区表如下表所示。第 3章 存储器管理 2主存空间的分配主存空间的分配 在初始状态下，状态栏的初值为在初始状态下，状态栏的初值为0。主存空间的分配步骤为：主存空间的分配步骤为：从作业队列取出一个作业。从作业队列取出一个作业。搜索分区表中状态为搜索分区表中状态为“0”的分区。的分区。将作业大小与分区大小进行比较，直到找到满足条件的将作业大小与分区大小进行比较，直到找到满足条件的分区。分区。若未找到满足条件的分区，则给出提示信息，返回第若未找到满足条件的分区，则给出提示信息，返回第步。步。把作业装入该分区

17、，作业名写入状态栏。返回第把作业装入该分区，作业名写入状态栏。返回第步。步。第 3章 存储器管理 3主存空间的回收主存空间的回收 根据作业名到分区表的状态栏中查找，找到后将状态根据作业名到分区表的状态栏中查找，找到后将状态栏置栏置“0”，表示该分区空闲，可以用来装入新的作业。，表示该分区空闲，可以用来装入新的作业。3.3.3 地址转换与存储保护地址转换与存储保护1地址转换地址转换 因为分区的大小和个数是固定的，因此既可以采用静因为分区的大小和个数是固定的，因此既可以采用静态重定位方式，也可以采用动态重定位方式。态重定位方式，也可以采用动态重定位方式。第 3章 存储器管理 2存储保护存储保护 存

18、储保护是使作业只在自己的分区内进行存储，存储保护是使作业只在自己的分区内进行存储，即：下限寄存器即：下限寄存器绝对地址绝对地址上限寄存器，当绝对地址超出此上限寄存器，当绝对地址超出此范围时，提示范围时，提示“地址越界地址越界”。CPU+主主存存下限寄存器下限寄存器上限寄存器上限寄存器逻辑地址逻辑地址物理地址物理地址否否是是地址越界地址越界低地址低地址高地址高地址第 3章 存储器管理 例例3-1 在某系统中采用固定分区分配管理方式，主存分区在某系统中采用固定分区分配管理方式，主存分区情况如图情况如图3-9（a）所示。现有大小为）所示。现有大小为1KB、9KB、33KB、121KB的多个作业要求进

19、入主存，试画出它们进入主存后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？的空间分配情况，并说明主存浪费有多大？3.3.4 管理特点管理特点 固定分区解决了单用户连续存储管理中内存只装入一固定分区解决了单用户连续存储管理中内存只装入一道作业的问题，内存中同时装入多道作业，提高了内存利道作业的问题，内存中同时装入多道作业，提高了内存利用率，并实现了并发执行。用率，并实现了并发执行。但是，主存利用率还是存在浪费现象，因为每个作业但是，主存利用率还是存在浪费现象，因为每个作业不可能与固定分区一样大小。不可能与固定分区一样大小。第 3章 存储器管理 3.4 可变分区

20、存储管理方式可变分区存储管理方式3.4.1 基本原理基本原理 可变分区存储管理方式是在作业要求装入主存时，可变分区存储管理方式是在作业要求装入主存时，根据作业的大小动态地划分分区，使分区的大小正好适应根据作业的大小动态地划分分区，使分区的大小正好适应作业的要求。各分区的大小是不确定的，主存中分区的数作业的要求。各分区的大小是不确定的，主存中分区的数目也是不确定的。目也是不确定的。第 3章 存储器管理 3.4.2 主存空间的分配与回收主存空间的分配与回收1采用的数据结构采用的数据结构 第 3章 存储器管理 2主存空间的分配与回收主存空间的分配与回收 首先初始化已分分区表（首先初始化已分分区表（0

21、个记录）和空闲分区表（个记录）和空闲分区表（1个记录），整个用户区为一个空闲区，在空闲分区表中填个记录），整个用户区为一个空闲区，在空闲分区表中填入用户区的始址和大小。主存空间的分配见书中图入用户区的始址和大小。主存空间的分配见书中图3-11。当作业执行完毕回收存储区时，在已分分区表中，只当作业执行完毕回收存储区时，在已分分区表中，只要按照作业的首地址找到相应分区，将分区的状态项置要按照作业的首地址找到相应分区，将分区的状态项置0即可；即可；第 3章 存储器管理 在空闲分区表中，回收分为以下四种情况：在空闲分区表中，回收分为以下四种情况：（1）回收的分区前后没有相邻的空闲分区。）回收的分区前后

22、没有相邻的空闲分区。（2）回收分区的前面有相邻的空闲区。）回收分区的前面有相邻的空闲区。（3）回收分区的后面有相邻的空闲分区。）回收分区的后面有相邻的空闲分区。（4）回收分区的前后都有相邻的空闲分区。）回收分区的前后都有相邻的空闲分区。回收分区回收分区回收分区回收分区空闲分区空闲分区回收分区回收分区空闲分区空闲分区回收分区回收分区空闲分区空闲分区空闲分区空闲分区（a）（b）（c）（d）图图3-6 空闲分区修改图空闲分区修改图第 3章 存储器管理 3常用主存分配算法常用主存分配算法（1）最先适应分配算法（）最先适应分配算法（FF）空闲分区按地址递增的顺序排列，从头开始查找，空闲分区按地址递增的顺

23、序排列，从头开始查找，找到第找到第1个满足作业长度要求的空闲区，分割出作业需要个满足作业长度要求的空闲区，分割出作业需要的长度分配给它。的长度分配给它。优点：简单、迅速。优点：简单、迅速。缺点：内存区间利用率不均匀，低地址区用的多，容易产缺点：内存区间利用率不均匀，低地址区用的多，容易产生过多的小地址碎片。生过多的小地址碎片。改进：循环最先适应分配算法。改进：循环最先适应分配算法。第 3章 存储器管理（2）最优适应分配算法（）最优适应分配算法（BF）最优适应分配算法是按作业要求从所有的空闲分区中最优适应分配算法是按作业要求从所有的空闲分区中挑选一个能满足作业要求的最小空闲区，这样可保证不挑选一

24、个能满足作业要求的最小空闲区，这样可保证不去分割一个更大的区域，使装入大作业时比较容易得到去分割一个更大的区域，使装入大作业时比较容易得到满足。为实现这种算法，把空闲区按长度递增次序登记满足。为实现这种算法，把空闲区按长度递增次序登记在空闲分区表中，分配时顺序查找。在空闲分区表中，分配时顺序查找。优点：保留了较大的连续内存空间。优点：保留了较大的连续内存空间。缺点：容易产生碎片，每次内存回收时都要重新排序。缺点：容易产生碎片，每次内存回收时都要重新排序。第 3章 存储器管理（3）最坏适应分配算法（）最坏适应分配算法（WF）最坏适应分配算法每次分配主存时总是挑选一个最大最坏适应分配算法每次分配主

25、存时总是挑选一个最大的空闲区，分割一部分给作业使用，使剩下的部分不至的空闲区，分割一部分给作业使用，使剩下的部分不至于太小，仍可供使用。为实现这种算法，把空闲区按长于太小，仍可供使用。为实现这种算法，把空闲区按长度递减次序登记在空闲分区表中，分配时顺序查找。度递减次序登记在空闲分区表中，分配时顺序查找。优点：因为总是对大区间分割，因此不容易产生过多的碎优点：因为总是对大区间分割，因此不容易产生过多的碎片。片。缺点：大作业的分配受影响。每次内存回收时空闲区都要缺点：大作业的分配受影响。每次内存回收时空闲区都要重新排序。重新排序。第 3章 存储器管理 3.4.3 地址转换与存储保护地址转换与存储保

26、护物理地址物理地址CPU+主主存存基址寄存器基址寄存器限长寄存器限长寄存器逻辑地址逻辑地址否否是是地址越界地址越界分区始址分区始址分区末址分区末址图图3-7 可变分区存储管理的地址转换可变分区存储管理的地址转换第 3章 存储器管理 3.4.4 管理特点管理特点分区的长度不是预先固定的，而是按作业的实际需求来分区的长度不是预先固定的，而是按作业的实际需求来划分的。分区的个数也不是预先确定的，而是由装入的作划分的。分区的个数也不是预先确定的，而是由装入的作业数决定的。业数决定的。分区的大小由作业大小来定，提高了主存的使用效率。分区的大小由作业大小来定，提高了主存的使用效率。在主存分配过程中，会产生

27、许多主存在主存分配过程中，会产生许多主存“碎片碎片”。有可能出现这种情况：内存空闲分区的总容量还有有可能出现这种情况：内存空闲分区的总容量还有30k，但都是一些不超过，但都是一些不超过5k的分区，这时有一个的分区，这时有一个10k的作业要的作业要装入，可是它只能等待。装入，可是它只能等待。解决的方法是：采用移动或对换技术。解决的方法是：采用移动或对换技术。第 3章 存储器管理 3.4.5 采用的技术采用的技术 1移动技术移动技术说明：说明：正在与外设交换信息的作业不能移动。因为外设是根据已正在与外设交换信息的作业不能移动。因为外设是根据已确定的绝对地址完成信息传输的。确定的绝对地址完成信息传输

28、的。移动会增加系统开销移动会增加系统开销一般不会轻易使用移动技术。一般不会轻易使用移动技术。第 3章 存储器管理 2对换技术（对换技术（Swapping）对换是指把主存中暂时不能运行的进程，或暂时不对换是指把主存中暂时不能运行的进程，或暂时不用的程序和数据，换出到外存上，把已具备运行条件的用的程序和数据，换出到外存上，把已具备运行条件的进程，或进程所需要的程序或数据，换入主存的技术。进程，或进程所需要的程序或数据，换入主存的技术。在以下几种情况下需要使用对换技术：在以下几种情况下需要使用对换技术：（1）必须把一部分进程调出主存，否则系统将因为主存不）必须把一部分进程调出主存，否则系统将因为主存

29、不够而发生死锁。够而发生死锁。（2）主存中的进程全部处于阻塞状态，）主存中的进程全部处于阻塞状态，CPU空闲，需要把空闲，需要把内存中的阻塞进程调出，将外存中就绪进程调入。内存中的阻塞进程调出，将外存中就绪进程调入。系统开销大。系统开销大。第 3章 存储器管理 对换到外存的进程存放在对换区，对换区采用可变分对换到外存的进程存放在对换区，对换区采用可变分区分配方式。区分配方式。换出进程选择的步骤：换出进程选择的步骤：（1）选择阻塞状态的进程，如果有多个，则选择优先级低）选择阻塞状态的进程，如果有多个，则选择优先级低的进程。的进程。（2）如果无阻塞进程，则选择优先级低的就绪进程。）如果无阻塞进程，

30、则选择优先级低的就绪进程。换入进程的选择：换入进程的选择：当有空闲内存时，便执行进程的换入操作。当有空闲内存时，便执行进程的换入操作。首先选择首先选择“就绪且换出就绪且换出”状态的进程换入，如果存在状态的进程换入，如果存在多个，则选择换出时间最久的进程。多个，则选择换出时间最久的进程。第 3章 存储器管理 3.4.6 可变分区存储管理举例可变分区存储管理举例【例例3-2】主主存存有有两两个个空空闲闲区区F1、F2如如图图所所示示。F1为为220KB，F2为为120KB，另另外外依依次次有有J1、J2、J3三三个个作作业业请请求求加加载载运运行行，它它们们的的主主存存需需求求量量分分别别是是40

31、KB、160KB、100KB，试试比比较较最最先先适适应应算算法法、最最优优适适应应算算法法和和最最坏坏适适应应算法的性能。算法的性能。第 3章 存储器管理 3.5 分页式存储管理方式分页式存储管理方式 页式存储管理方式与前面介绍的存储管理方式有着根本页式存储管理方式与前面介绍的存储管理方式有着根本的不同：不连续存储。的不同：不连续存储。3.5.1 基本原理基本原理 作业分页，内存分块，页与块大小相等，可存放在不连作业分页，内存分块，页与块大小相等，可存放在不连续的内存块中。续的内存块中。第 3章 存储器管理 页面大小：页面大小：页面小，可以减小内碎片，但页表过长，占用内存。页面小，可以减小内

32、碎片，但页表过长，占用内存。页面大，可减小页表长度，但会增加内碎片。页面大，可减小页表长度，但会增加内碎片。地址结构：地址结构：图中地址长度为图中地址长度为32位，页面大小为位，页面大小为4K，最多可以有，最多可以有1M个页面。个页面。因为页与块大小相同，所以，页内地址与块内地址相因为页与块大小相同，所以，页内地址与块内地址相同，所以从逻辑地址转换到物理地址只是将页号置换为块同，所以从逻辑地址转换到物理地址只是将页号置换为块号即可。号即可。第 3章 存储器管理 3.5.2 主存空间的分配与回收主存空间的分配与回收1采用的数据结构采用的数据结构（1）页表）页表页表给出了逻辑地址中的页号与主存中的

33、块号的对应关系页表给出了逻辑地址中的页号与主存中的块号的对应关系第 3章 存储器管理（2）主存分配表（作业表）主存分配表（作业表）作业表记录了各作业的作业名、页表始址和页表长度，作业表记录了各作业的作业名、页表始址和页表长度，页表长度为页表中的最大序号。页表长度为页表中的最大序号。第 3章 存储器管理（3）位示图）位示图 位示图用于内存块的分配。对于以上例子，内存共位示图用于内存块的分配。对于以上例子，内存共8块，块，就用就用8位二进制数表示每一块的状态，如果一个块已分配，位二进制数表示每一块的状态，如果一个块已分配，则为则为1，未分配则为，未分配则为0，因此，上面例子的位示图可表示为：，因此

34、，上面例子的位示图可表示为：00101011 8位正好位正好1个字节，再用一个字节表示剩余空闲块数，则位个字节，再用一个字节表示剩余空闲块数，则位示图共需要示图共需要2字节。字节。假如内存容量假如内存容量512k，块的大小为，块的大小为2k，共，共256块，那么块，那么用用256个二进制位来表示这个二进制位来表示这256块，共块，共32字节，用字节，用2字节表字节表示剩余空闲块数，共需要示剩余空闲块数，共需要34字节来表示位示图。字节来表示位示图。第 3章 存储器管理 2主存空间的分配主存空间的分配 首先，系统要初始化位示图，即把位示图中的标志位首先，系统要初始化位示图，即把位示图中的标志位全

35、部置为全部置为“0”，空闲块数置为主存的最大块数。其分配，空闲块数置为主存的最大块数。其分配过程见下图所示。过程见下图所示。第 3章 存储器管理 结束结束作业队列空？作业队列空？开始开始空闲块数空闲块数=页数？页数？初始化位示图初始化位示图计算该作业的页数计算该作业的页数为该作业建立页表为该作业建立页表否否是是否否是是显示主存不足，删显示主存不足，删除该作业或入队尾除该作业或入队尾图图3-8 页式存储管理的主存分配流程图页式存储管理的主存分配流程图根根据据位位示示图图装装入入作作业业的的每每一一页页，修修改改位位示示图图中的标记，在页表中填入页号及对应的块号中的标记，在页表中填入页号及对应的块

36、号从作业队列中取出队首作业从作业队列中取出队首作业修改位示图中的空闲块数，并在主存修改位示图中的空闲块数，并在主存分配表中填入该作业的相关记录分配表中填入该作业的相关记录第 3章 存储器管理 3主存空间的回收主存空间的回收（1）根据作业名在作业表中查找到页表地址。）根据作业名在作业表中查找到页表地址。（2）取出页表。）取出页表。（3）逐项归还每一块。位示图中相应块的状态置）逐项归还每一块。位示图中相应块的状态置0。（4）剩余块数加页数。）剩余块数加页数。（5）删除页表。）删除页表。（6）作业表中删除该作业记录。）作业表中删除该作业记录。第 3章 存储器管理 3.5.3 地址转换与存储保护地址转

37、换与存储保护1地址转换地址转换 因为页与块大小相同，所以页内地址等于块内地址，因因为页与块大小相同，所以页内地址等于块内地址，因此，地址转换的任务实际上是将逻辑地址中的页号，转换为此，地址转换的任务实际上是将逻辑地址中的页号，转换为内存中的块号即可。内存中的块号即可。例如：页表如下图所示，页长例如：页表如下图所示，页长1k，用户基址为，用户基址为2000，将逻辑，将逻辑地址地址3000（101110111000）转换为物理地址。）转换为物理地址。第 3章 存储器管理 图图3-9 页式系统的地址转换图页式系统的地址转换图14057页号页号=页长页长页表始址页表始址 页表长度页表长度 2 769页

38、号页号 页内地址页内地址页表寄存器页表寄存器+0 2 1 4 2 6 3 8 页号页号 块号块号 6 769块号块号 越界越界CPU主主存存4865物理地址物理地址逻辑地址逻辑地址页长页长第 3章 存储器管理 2页的共享与保护页的共享与保护（1）页的共享）页的共享 前面所讲的连续存储方式无法做到程序的共享，而页前面所讲的连续存储方式无法做到程序的共享，而页式方式因为不再是连续存储，因此可以实现页的共享。式方式因为不再是连续存储，因此可以实现页的共享。第 3章 存储器管理（2）页的保护）页的保护 页式存储管理方式下的保护有页式存储管理方式下的保护有3情况：共享页的保情况：共享页的保护、不同作业所

39、占空间的保护、逻辑地址转换成物理地护、不同作业所占空间的保护、逻辑地址转换成物理地址的保护。址的保护。共享页的保护。其方法是在页表中设置一个权限位，共享页的保护。其方法是在页表中设置一个权限位，指出该信息可读指出该信息可读/写、只读、只执行等权限。写、只读、只执行等权限。不同作业所占空间的保护。通过位示图中的每个存储不同作业所占空间的保护。通过位示图中的每个存储块的标志位，来保护已经分配到主存中的作业空间，不块的标志位，来保护已经分配到主存中的作业空间，不被新作业覆盖。被新作业覆盖。逻辑地址转换成物理地址的保护。逻辑地址转换成物理地址的保护。第 3章 存储器管理 3.5.4 对页式存储管理的改

40、进对页式存储管理的改进1具有快表的地址变换具有快表的地址变换 CPU在存取数据时，每次要访问主存两次。分页存储解决在存取数据时，每次要访问主存两次。分页存储解决了碎片问题，提高了内存利用率，实际上是以时间做为代价的，了碎片问题，提高了内存利用率，实际上是以时间做为代价的，即以时间换空间。即以时间换空间。为了解决多次访问内存的问题，可以把页表放在一个可并为了解决多次访问内存的问题，可以把页表放在一个可并行操作的存储器中，称为行操作的存储器中，称为“联想存储器联想存储器”，又称为快表。，又称为快表。关于联想存储器（关于联想存储器（Associative Memory）：不按地址而按给定内容的特征进

41、行存取的存储器。如要对不按地址而按给定内容的特征进行存取的存储器。如要对两个存储单元中的内容作某种运算，并将结果存入其中一个单两个存储单元中的内容作某种运算，并将结果存入其中一个单元，则选用按地址存取的存储器比较适宜。如果根据某些内容元，则选用按地址存取的存储器比较适宜。如果根据某些内容特征来查找存储单元，则使用联想存储器能更快地得到结果。特征来查找存储单元，则使用联想存储器能更快地得到结果。第 3章 存储器管理 特点：特点：除有存储功能外，还具有信息处理功能。它能根据送来除有存储功能外，还具有信息处理功能。它能根据送来内容的特征查找存储单元。内容的特征查找存储单元。对各个存储单元并行进行查找

42、，因而能显著提高查找速对各个存储单元并行进行查找，因而能显著提高查找速度。度。组成：组成：联想存储器由多个寄存器和存储体组成，要查找的变联想存储器由多个寄存器和存储体组成，要查找的变量放在寄存器中，存储体中的每个存储单元都含有存储、量放在寄存器中，存储体中的每个存储单元都含有存储、比较、读写、控制等电路。比较、读写、控制等电路。因为其价格昂贵，不能做得很大，因此一个大作业的因为其价格昂贵，不能做得很大，因此一个大作业的页表只能有一部分放入联想存储器。页表只能有一部分放入联想存储器。486的联想存储器是的联想存储器是32个。从中能找到所需页的概率为个。从中能找到所需页的概率为90%。第 3章 存

43、储器管理 优点：查找速度快，功能强。优点：查找速度快，功能强。缺点：所含的电路较多，造价很高。缺点：所含的电路较多，造价很高。设访问主存时间为设访问主存时间为100ns（纳秒），访问联想存储器的（纳秒），访问联想存储器的时间为时间为20ns，联想存储器的命中率为，联想存储器的命中率为90%，则按逻辑地址，则按逻辑地址访问主存的平均时间为：访问主存的平均时间为：（100+20)*90%+(100+100+20)*10%=130ns第 3章 存储器管理 2两级页表的地址转换两级页表的地址转换 大作业的逻辑地址空间可能会非常大（大作业的逻辑地址空间可能会非常大（232264），它，它的页表就会很长，

44、有时会占据很大的存储空间。的页表就会很长，有时会占据很大的存储空间。比如，逻辑地址空间比如，逻辑地址空间232，若每页，若每页4KB，则需要，则需要1M个页个页表项，若每个页表项占表项，若每个页表项占4B，则页表需要占主存，则页表需要占主存4MB。要在主存中找到这么大的一个连续存储空间是很困难要在主存中找到这么大的一个连续存储空间是很困难的。我们可以把页表也分页存储，页的大小与主存物理块的。我们可以把页表也分页存储，页的大小与主存物理块大小相同。原来页表只有一个，现在有多个页表，所以必大小相同。原来页表只有一个，现在有多个页表，所以必须再为这些分散的页表再建立一个页表，称为外层页表。须再为这些

45、分散的页表再建立一个页表，称为外层页表。外层页号、外层页内地址、页内地址外层页号、外层页内地址、页内地址 第 3章 存储器管理 3.5.5 管理特点管理特点1可以使程序和数据存放在不连续的主存空间，也不必象可以使程序和数据存放在不连续的主存空间，也不必象可变分区管理那样通过增加系统开销来解决可变分区管理那样通过增加系统开销来解决“碎片碎片”问问题，它有效地解决了题，它有效地解决了“碎片碎片”多的问题。多的问题。2通过位示图和页表来记录主存的使用情况和每个作业的通过位示图和页表来记录主存的使用情况和每个作业的分配情况，当主存很大，并且作业也很大时，位示图和分配情况，当主存很大，并且作业也很大时，

46、位示图和页表都有可能占用较大的存储空间。另外，它要求有相页表都有可能占用较大的存储空间。另外，它要求有相应的硬件支持，从而增加了系统成本，也增加了系统开应的硬件支持，从而增加了系统成本，也增加了系统开销。销。3.5.6 页式存储管理举例页式存储管理举例 第 3章 存储器管理【例例3-3】设一页式存储管理系统，向用户提供逻辑地址空间设一页式存储管理系统，向用户提供逻辑地址空间最大为最大为16页，每页页，每页2048字节，主存总共有字节，主存总共有8个存储块，试个存储块，试问逻辑地址应为多少位？主存空间有多大？问逻辑地址应为多少位？主存空间有多大？【解解】页式存储管理系统中的逻辑地址结构为：页号页

47、式存储管理系统中的逻辑地址结构为：页号+页内页内地址。本题中，每页地址。本题中，每页2048字节，所以页内地址部分地址需字节，所以页内地址部分地址需要占据要占据11个二进制位；逻辑地址空间最大为个二进制位；逻辑地址空间最大为16页，所以页页，所以页号部分地址需要占据号部分地址需要占据4个二进制位。故逻辑地址至少为个二进制位。故逻辑地址至少为15位。位。由于主存共有由于主存共有8个存储块，在页式存储管理系统中，个存储块，在页式存储管理系统中，存储块大小与页面的大小相等。因此，主存空间为存储块大小与页面的大小相等。因此，主存空间为16K。第 3章 存储器管理【例例3-4】在一个页式存储管理系统中，

48、某作业的页表如下表在一个页式存储管理系统中，某作业的页表如下表所示。已知页面大小为所示。已知页面大小为1024字节，用户区的基址为字节，用户区的基址为1000，试将逻辑地址试将逻辑地址1011、2148、3000、4000、5012转换为相应转换为相应的物理地址。的物理地址。第 3章 存储器管理【例例3-5】假设主存用户区大小为假设主存用户区大小为200MB，作业的大小为，作业的大小为100KB，页面大小为，页面大小为4KB，页表项长度为，页表项长度为4字节，采用页字节，采用页式存储管理方式管理主存，请计算位示图和页表的大小。式存储管理方式管理主存，请计算位示图和页表的大小。解：解：200M/

49、4K=50K=51200（块）（块）51200/8=6400（字节）（字节）剩余空闲块数需要剩余空闲块数需要2字节。字节。位示图需要占用位示图需要占用6402字节。字节。100K/4K*4字节字节=100字节字节 所以页表占所以页表占100字节。字节。第 3章 存储器管理 3.6 分段式存储管理方式分段式存储管理方式 3.6.1 基本原理基本原理 段式存储是将作业分段，按段存储。段是按照作业的段式存储是将作业分段，按段存储。段是按照作业的逻辑关系划分，比如：主程序段、子程序段、数据段、栈逻辑关系划分，比如：主程序段、子程序段、数据段、栈段等，每个段有一个段号，每段都从段等，每个段有一个段号，每

50、段都从0开始编址，因此段开始编址，因此段的逻辑地址是二维的，由段号和段内地址组成。的逻辑地址是二维的，由段号和段内地址组成。在内存中，每个段占用一段连续的存储空间，而段与在内存中，每个段占用一段连续的存储空间，而段与段之间可不连续。如果没有足够大的连续空间，则采用移段之间可不连续。如果没有足够大的连续空间，则采用移动技术，拼接出大的空间。动技术，拼接出大的空间。第 3章 存储器管理 段地址结构：段地址结构：在在该该地地址址结结构构中中，一一个个作作业业最最多多可可有有256（28）个个段段，每每段段最最长为长为16MB（224）。3.6.2 主存空间的分配与回收主存空间的分配与回收1采用的数据