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12第七章存储管理3第七章存储管理7.1概念存储器storage,memmory能接收数据和保存数据、而且能根据命令提供这些数据的装置。47.1概念存储器分成两类：内存储器（简称内存、主存、物理存储器）处理机能直接访问的存储器。用来存放系统和用户的程序和数据，其特点是存取速度快，存储方式是以新换旧，断电信息丢失。外存储器（简称外存、辅助存储器）处理机不能直接访问的存储器。用来存放用户的各种信息，存取速度相对内存而言要慢得多，但它可用来长期保存用户信息。在文件系统中介绍。57.1概念1.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。67.1概念2.程序的逻辑结构程序地址：用户编程序时所用的地址（或称逻辑地址、虚地址），基本单位可与内存的基本单位相同，也可以不相同。程序地址空间（逻辑地址空间、虚地址空间）:用户的程序地址的集合称为逻辑地址空间，它的编址总是从0开始的，可以是一维线性空间，也可以是多维空间。77.2存储管理的功能1.存储管理功能地址映射将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主存中的地址的过程(2)主存分配按照一定的算法把某一空闲的主存区分配给作业或进程。(3)存储保护保证用户程序(或进程映象)在各自的存储区域内操作，互不干扰。(4)提供虚拟存储技术使用户程序的大小和结构不受主存容量和结构的限制，即使在用户程序比实际主存容量还要大的情况下，程序也能正确运行．87.2存储管理的功能7.2.1地址映射一、什么是地址映射地址映射将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主存中的地址的过程称为地址映射。有时也称为地址重定位。97.2存储管理的功能7.2.1地址映射二、地址映射方式地址映射的功能就是要建立虚实地址的对应关系，实现地址映射有三种方式：1.编程或编译时确定地址映射关系2.静态地址映射3.动态地址映射107.2存储管理的功能7.2.1地址映射1.编程或编译时确定地址映射关系编程时确定虚－实地址的关系是指在用机器指令编程时，程序员直接按物理内存地址编程，这种程序在系统中是不能做任何移动的，否则就会出错。117.2存储管理的功能7.2.1地址映射2.静态地址映射静态地址映射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。如左图所示。评价:优点是实现简单，不要硬件的支持。缺点是程序一旦装入内存，移动就比较困难。有时间上的浪费。在程序装入内存时要将所有访问内存的地址转换成物理地址。127.2存储管理的功能7.2.1地址映射2.静态地址映射137.2存储管理的功能7.2.1地址映射3.动态地址映射动态地址映射是在程序执行时由系统硬件完成从逻辑地址到物理地址的转换的。系统中设置了重定位寄存器。147.2存储管理的功能7.2.1地址映射3.动态地址映射动态地址映射是由硬件地执行时完成的，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。157.2存储管理的功能7.2.1地址映射3.动态地址映射动态地址映射技术能满足以下目标：（1）具有给一个用户程序任意分配内存区的能力；（2）可实现虚拟存储；（3）具有重新分配的能力（4）对于一个用户程序，可以分配到多个不同的存储区167.2.3程序的逻辑组织见7.12.程序的逻辑结构177.2.3内存分配在多道程序设计的环境中，内存分配的功能包括：制定分配策略、构造分配用的数据结构、响应系统的内存分配的请求和回收系统释放的内存区。内存管理策略有三种：1、放置策略决定内存中放置信息的区域（或位置），即如何在若干个空闲区中选择一个或几个空闲区的原则；2、调入策略决定信息装入内存的时机，有两种：在用户请求时调入，称为请调；根据某种算法，确定系统将要使用的信息，并在执行前预先调入内存，称为预调；3、淘汰策略当内存不足时，决定将某些信息调出内存的策略。187.2.4提供虚存1、问题的提出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。197.2.4提供虚存1、问题的提出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。207.2.4提供虚存2.虚拟存储器概念虚拟存储器为用户提供一种不受物理存储器结构和容量限制的存储器的技术称为虚拟存储器，或称虚拟存储技术。它是用户编程时所使用的一种用户思维中的存储器，它可以是任何结构（一维线性空间、二维空间、乃至n维空间），并没有容量的限制。现代计算机操作系统都采用了这种技术，使得用户编程序时不需要考虑物理内存的结构和容量，极大地方便了用户。虚拟存储器需要大容量的外存储器的支持，或称物资基础。217.2.5存储保护在多道程序设计的环境下，系统中有系统程序和多个用户程序同时存在，如何保证用户程序不破坏系统程序，用户程序之间不相互干扰？这就是存储保护所要解决的问题。常用的存储保护有两种。227.2.5存储保护1.上下界保护下界寄存器存放程序装入内存后的开始地址（首址）上界寄存器存放程序装入内存后的末地址判别式：下界寄存器≤物理地址＜上界寄存器237.2.5存储保护1.上下界保护例：有一程序装入内存的首地址是500，末地址是1500，访问内存的逻辑地址是500、345、1000。下界寄存器：500上界寄存器：1500逻辑地址＋装入内存的首地＝物理地址1、500＋500＝1000500≤1000＜1500√2、345＋500＝845500≤845＜1500√3、1000＋500＝1500500≤1500＜1500×247.2.5存储保护2.基址、限长寄存器保护例：有一程序装入内存的首地址是500，末地址是1500，访问内存的逻辑地址是500、345、1000。下界寄存器：500上界寄存器：15001、500≤500＜1000√2、500≤345＜1000√3、500≤1000＜1000×257.2.5存储保护3.两种存储保护技术的区别区别：1、寄存器的设置不同；2、判别式中用的判别条件不同上下界寄存器保护法用的是物理地址基址、限长寄存器保护法用的是程序的逻辑地址对于合法的访问地址这两者的效率是相同的，对不合法的访问地址来说，上下界存储保护浪费的CPU时间相对来说要多些。在7.4页式存储管理中将介绍其存储保护机制。267.3分区存储管理7.3.1概述分区存储管理是满足多道程序设计的最简单的一种存储管理方法，它允许多个用户程序同时存在系统内存中，即共享内存空间。最早期的分区存储管理采用固定分区的方法，把内存空间分成若干个大小不等的区域，称为分区。每个用户程序（作业、进程）调入内存后，占用其中一个分区，程序运行完成后释放该分区。这种存储管理的方法的主要问题是内存使用效率极低，很快就被淘汰了。277.3分区存储管理7.3.1概述动态分区存储管理技术系统生成后，操作系统占用内存的一部分，一般在物理内存的开始处，比如，一个操作系统占20KB，装入系统后占用0～20KB的内存空间，剩下的部分作为一个空闲区，当一个用户程序（作业、进程）调入内存时，把这个空闲区的低地址部分的区域分配给它，如图所示。287.3分区存储管理7.3.1概述当有作业完成后释放所占用的存储区。在系统运行的过程中，系统中形成多个空闲的不连续的存储区，称主空闲。297.3分区存储管理7.3.1概述分区存储管理技术的实现：1、地址映射2、动态存储管理的机构（数据结构）3、分区的分配和回收4、三种基本的放置策略307.3分区存储管理7.3.2用基地址寄存器实现动态地址映射在这种存储管理技术中，系现设置一个专用寄存器，称为基地址寄存器，当一个进程（或程序、作业）被调度运行时，系统首先从PCB中取出该进程的首地址装入基地址寄存器中，在该进程运行的过程中实现动态地址映射。317.3分区存储管理7.3.3分区分配机构分区存储管理使用的数据结构主要是空闲区表、空闲区队列两种。其形式如图所示。327.3分区存储管理7.3.4分区的分配与回收内存分配程序包括分配一个内存块（分区）和释放一个内存块（分区）两个函数，当进程需要一个大小为size的内存时，可以通过系统调用向系统申请。调用形式：request(size)返回：成功为分区的首地址，失败为0。进程释放一个分区时，调用：release(释放区首地址）返回：无337.3分区存储管理7.3.4分区的分配与回收一、分配算法教材上的p156的分配算法是以空闲内存队列的数据结构进行分配。介绍空闲区表数据结构的分配算法。注：1、分配算法中切割空闲区是从低地址开始的，例如，一个空闲区大小是100KB，首址是230KB，一申请者要求80KB，分配时将从230KB开始的80KB分配给申请者，剩下的部分仍作为一个空闲区，其首址是310KB，大小是20KB。2、门限值是切割空闲区后剩下的区域若小于门限值，就不切割该空闲区，统统分给申请者。347.3分区存储管理7.3.4分区的分配与回收357.3分区存储管理7.3.4分区的分配与回收二、回收算法当一个进程（或程序）释放某内存区时，要调用存储区释放算法release,它将首先检查释放区是否与空闲区表（队列）中的其它空闲区相邻，若相邻则合并成一个空闲区，否则，将释放为一个空闲区插入空闲区表（或队列）中的适当位置。空闲释放区与空闲区相邻有四种情况。试用C语言写出动态分区的回收算法。367.3分区存储管理7.3.4分区的分配与回收A、将r合并到f1，f1.addr;f1.size+r.size=f.sizeB、将r合并到f2,r.addr;r.size+r.size=f2.sizeC、f1、r、f2合并到f1,f1.addr;f1.size+r.size+f2.size=f1.size撤消f2空闲区D、r作为一个空闲区，并插入到空闲区表的适当位置。377.3分区存储管理7.3.5几种放置策略分区分配和回收是对空闲区表（或空闲区队列）数据结构进行操作，空闲区表的组织有两种方法：1、按空闲区大小的升序（降序）组织；2、按空闲区首址升序（降序）组织。根据空闲区表组织的方法的不同，有不同的放置策略，它们是最佳适应算法、首次适应算法和最坏适应算法三种。387.3分区存储管理7.3.5几种放置策略一、首次适应算法首次适应算法的表是按空闲区首址升序的（即空闲区表是按空闲区首址从小到大）方法组织的。397.3分区存储管理7.3.5几种放置策略一、首次适应算法分配时从表首开始，以请求内存区的大小逐个与空闲区进行比较，找到第一个满足要求的空闲后，若空闲区大小与请求区的大小相等，则将该空闲区分配给请求者，并撤消该空闲区所在表目；若大于请求区，就将该空闲区的一部分分配给请求者，然后，修改空闲区的大小和首址。407.3分区存储管理7.3.5几种放置策略一、首次适应算法切割空闲区有两种方法：·从空闲区头开始·从空闲区尾开始空闲区大小50KB，首址156KB，申请34KB。417.3分区存储管理7.3.5几种放置策略一、首次适应算法这种算法的实质是尽可能地利用低地址部分的空闲区，而尽量地保证高地址部分的大空闲区，使其不被切削成小的区，其目的是保证在以有有大的作业的到来有足够大的空闲区