搜索
第4章存储管理第4章存储管理4.1概述4.2分区存储管理方案4.3页式存储管理4.4段式存储管理4.5段页式存储管理4.6交换技术与覆盖技术4.7虚拟存储4.8高速缓冲存储器4.9内存管理实例分析习题第4章存储管理4.1概述存储器是计算机系统中的重要组成部分，随着计算机技术的飞速发展和内存价格的降低，现代计算机中的内存也在不断增加，已经达到GB的范围。第4章存储管理4.1.1存储体系存储器的功能是保存指令和数据，它的发展方向是高速、大容量和小体积，诸如内存在访问速度方面的发展有DRAM、SDRAM、SRAM等技术；而磁盘技术的发展方向主要在大容量方面，比如接口标准、存储密度等。第4章存储管理存储组织的功能是在存储技术和CPU寻址技术许可的范围内组织合理的存储结构，其依据是访问速度的匹配关系、容量要求和价格。常见的存储结构有两种：“寄存器—内存——外存”结构和“寄存器—快速缓存—内存—外存”结构。图4.1所示的是“寄存器—快速缓存—内存—外存”结构。外存(secondarystorage)快速缓存(cache)寄存器(register)内存(primarystorage)图4.1存储层次结构第4章存储管理从源程序到程序执行编译：编译程序–由编译程序（Compiler）将用户源代码编译成若干个目标模块。链接：链接程序–由链接程序（Linker）将编译后形成的一组目标模块，以及它们所需要的库函数链接在一起，形成装入模块。装入：装入程序–由装入程序（Loader）将装入模块复制到内存中。库汇编编译主子1子2目标模块链接程序装入模块库主子1子2装入程序内存库主子1子2第4章存储管理地址空间的概念物理（绝对）地址——程序执行–每个内存单元的固定顺序地址（编号）。逻辑（相对）地址——装入（汇编编译）–被链接装配（或汇编、编译）后的目标模块所限定的地址的集合；–相对于某个基准量（通常为：0）的编址。物理地址内存000000000100002...0100001FFF主子1子2主子1子2逻辑地址装入模块000...FFF主子1子2相对地址源程序/单个目标模块0005FF0005FF0003FF第4章存储管理4.1.2地址重定位可执行文件的建立过程是：源程序→编译→目标模块(多个目标模块或程序库)→链接→可执行文件。当程序执行时由操作系统装入内存而成为进程。对程序员来说，数据的存放地址是由符号决定的，故称为符号名地址，或者称为名地址。第4章存储管理当程序被装入内存时，程序的逻辑地址被转换成内存的物理地址，称为地址重定位。在可执行文件装入时需要解决可执行文件中地址(指令和数据)和内存地址的对应问题。这是由操作系统中的装入程序Loader来完成的，如图4.2所示。图4.2地址重定位LoadAdatal源程序编译链接0100BA＝1000datal34562003456LoadAdatal逻辑地址空间地址映射LoadAdatal3456…物理地址空间12001000第4章存储管理1．绝对装入(absoluteloading)在可执行文件中记录内存地址，装入时直接定位于上述内存地址的方式称为绝对装入(或者称为固定地址再定位)。在这种方式下，程序的地址再定位是在执行之前被确定的，也就是在编译、链接时直接制定程序在执行时访问的实际存储器地址。这样，程序的地址空间和内存地址空间是一一对应的。单片机或者单用户系统常采用这种方式。固定地址再定位的优点是装入过程简单；缺点是过于依赖于硬件结构，不适合多道程序系统。第4章存储管理2．可重定位装入(relocatableloading)可重定位装入方式是指在可执行文件中，列出各个需要重定位的地址单元和相对地址值，装入时再根据所定位的内存地址去修改每个重定位地址项，添加相应的偏移量。一个有相对地址空间的程序装入到物理地址空间时，由于两个空间不一致，就需要进行地址变换，或称地址映射，即地址的再定位。地址再定位有两种方式：静态再定位和动态再定位。第4章存储管理1)静态再定位静态再定位是指当程序执行时，由装入程序运行重定位程序，根据作业在内存重分配的起始地址，将可执行的目标代码装入到指定内存中。所谓静态，是指地址定位完成后，在程序的执行期间将不会再发生变化。静态再定位是在程序执行之前进行地址再定位的，这一工作通常是由装配程序完成的。LOAD1,500123450100500700LOAD1,55001234505700程序A的地址空间程序A的存储空间550051005000静态重定位示意图第4章存储管理静态地址再定位的优点是：无需硬件地址变化机构支持，容易实现；无需硬件支持，它只要求程序本身是可再定位的；它只对那些要修改的地址部分做出某种标识，再由专门设计的程序来完成。在早期的操作系统中大多数都采用这种方法。静态地址再定位的缺点是：必须给作业分配一个连续的存储区域，该存储区不能分布在内存的不同区域；在作业的执行期间不能扩充存储空间，也不能在内存中移动，因而不能重新分配内存，不利于内存的有效利用；多个用户很难共享内存中的同一程序，如若共享同一程序，则各用户必须使用自己的副本。第4章存储管理2)动态再定位动态地址再定位是在程序执行期间，在每次存储访问之前进行的。程序在装入内存时，并不修改程序的逻辑地址值，而是在访问物理内存之前，再实时地将逻辑地址转换成物理地址。在这种情况下，其实现机制要依赖硬件地址变换机构，即通过基地址寄存器BR、变址寄存器VR计算出指令的有效地址，再利用硬件机构实现地址变换，如图4.3所示。第4章存储管理…LOAD-A200200VRBR1000逻辑地址空间…3456…3002001000物理地址空间…LOAD-A200…3456…1300120011000…图4.3动态地址再定位的原理第4章存储管理从图4.3中可以看出：当程序开始执行时，系统将程序在内存的起始地址送入BR中。执行指令时，系统将逻辑地址与BR中的起始地址相加，从而得到物理地址。动态地址再定位的优点是：程序在执行期间可以换入和换出内存，这样可以缓解内存紧张的矛盾；可以把内存中的碎片集中起来，以充分利用空间；不必给程序分配连续的内存空间，可以较好地利用较小的内存块；若干用户可以共享同一程序。动态地址再定位的缺点：需要附加的硬件支持，而且实现存储管理的软件算法比较复杂。第4章存储管理3．动态运行期装入动态运行期装入(dynamicrun-timeloading)是指在可执行文件中记录虚拟内存地址，在装入和执行时通过硬件地址变换机构完成虚拟地址到实际内存地址的变换。动态运行期装入的优点是：操作系统可以将一个程序分散存放于不连续的内存空间，可以通过移动程序来实现共享；能够支持程序执行中产生的地址引用，如指针变量(而不仅是生成可执行文件时的地址引用)。动态运行期装入的缺点是：需要硬件支持(通常是CPU)，操作系统的实现比较复杂。第4章存储管理4.1.3链接1．链接方法常见的链接方法有静态链接和动态链接两种。1)静态链接静态链接(staticlinking)是在生成可执行文件时进行的，即在目标模块中记录被调用模块的名字符号地址(symbolicaddress)，在可执行文件中将该名字改写为指令直接使用的数字地址，如图4.4所示。第4章存储管理0L－1callfunction1ModuleAModuleBfunction10function1(){…}callL＋FModuleAModuleB0L－1Lfunction1function1(){…}L＋FL＋M－1M－1F图4.4静态链接第4章存储管理2)动态链接动态链接(dynamic-linking)是在运行可执行文件时进行的,亦即，执行过程中，当发现一个被调用模块未装入内存时，立即取找到该模块，并链接到调用者模块上。通常被链接的共享代码称为动态链接库(DynamicLinkLibrary，DLL)或共享库(sharedlibrary)。第4章存储管理动态链接的优点是：(1)共享：多个进程可以共用一个DLL，比较节省内存，从而可以减少文件的交换。(2)部分装入：一个进程可以将多种操作分散在不同的DLL中实现，而只将当前操作的DLL装入内存。(3)便于局部代码修改：即便于代码升级和代码重用；只要函数的接口参数(输入和输出)不变，则修改函数及其DLL时，无需对可执行文件重新编译或链接。(4)便于适应运行环境：调用不同的DLL，就可以适应多种使用环境并提供不同的功能。第4章存储管理动态链接的缺点是：(1)增加了程序执行时的链接开销。(2)程序由多个文件组成，因此增加了管理复杂度。第4章存储管理4.1.5存储管理的任务在现代操作系统中，存储管理的主要任务有以下几个方面。(1)存储分配和回收：是存储管理的主要内容，用来确定其算法和相应的数据结构。(2)地址变换(地址再定位)：可执行文件生成中的链接技术、程序加载时的重定位技术及进程运行时硬件和软件的地址变换技术和机构。第4章存储管理(3)存储共享和保护：将代码和数据共享，设定对地址空间的访问权限(读、写、执行)。(4)存储器扩充：它涉及存储器的逻辑组织和物理组织，有两种控制方式：如果由应用程序控制，则采用覆盖技术。如果由操作系统控制，则采用交换技术(整个进程空间范围内)或请求调入和预调入(部分进程空间)。第4章存储管理4.1.6各种存储管理方案从操作系统的发展历史来看，存储管理主要有以下几个方案：(1)分区存储管理方案：是一种连续存储管理方案，但需要一次性全部装入内存。(2)段式存储管理方案：是一种不连续存储管理方案，段和段之间可以不连续，但需要一次性全部装入内存。(3)页式存储管理方案：是一种不连续存储管理方案，也需要一次性全部装入内存。第4章存储管理(4)段页式存储管理方案：是一种不连续存储方案，如果采用纯分页和分段思想，需要一次性全部装入内存；如果采用虚拟存储思想，则不需要一次性全部装入内存。(5)交换技术和覆盖技术：是存储扩充的两种技术，其中交换技术的优点是编写程序时不需要特殊的控制，也不会影响程序的结构。(6)虚拟存储管理方案：又分为两种，分别是虚拟页式(请求分页)存储管理和虚拟段式(请求分段)存储管理。第4章存储管理4.2分区存储管理方案分区存储管理方案的数据结构是分区表或分区链表，主要功能是：(1)可以只记录空闲分区，也可以同时记录空闲和占用分区。(2)分区表中，表项数目随着内存的分配和释放而动态改变，可以规定最大表项数目。(3)分区表可以划分为两个表格：空闲分区表和分配分区表，从而减小每个表格的长度。第4章存储管理4.2.1单一连续分区存储管理单一连续分区存储管理把整个内存空间的最低端和最高端作为操作系统区，中间作为用户程序区。在DOS操作系统中就采用了这种方法，如图4.7所示。第4章存储管理分配给用户作业的空间操作系统用户程序未用0xFFF…0ROM中的设备驱动程序用户程序位于RAM中的操作系统0xFFF…0图4.7单一连续分区存储管理的分配方式第4章存储管理这种存储分配思想将内存分为两个区域：系统区和用户区。应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。单一连续分区的优点是：简单，适用于单用户、单任务的操作系统(比如CP/M和DOS操作系统)，不需要复杂的硬件支持。单一连续分区的缺点是：一个作业运行时要占用整个内存的地址空间，即使很小的程序也是如此，对内存造成了很大的浪费，内存的利用率很低。第4章存储管理4.2.2固定分区分配为了便于管理整个内存，需建立一个表格来登记和管理整个内存。在这个表中登记了每一个分区的大小，起始地址和分配状态，如表4.1和图4.8所示。当有作业装入时，系统便可以搜索这个表，找出一个大小合适的分区分配给它。当程序运行结束时，可以把它所占用的空间再释放回去。地址重定位可以采用静态地址定位或是动态地址定位的方法。第4章存储管理表4.1分区状态表分区号大小起始地址分配状态120KB100K已分配240KB120K已分配3100KB160K未分配4200KB260K已分配第4章存储管理操作系统0下界寄存器作业A作业