虛擬存儲(chǔ)器及其管理技術(shù)

1、5.6 虛擬存儲(chǔ)器及其管理技術(shù)虛擬存儲(chǔ)器及其管理技術(shù)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要特征之一，它將外存資源與內(nèi)存資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，解決了用較小容量的內(nèi)存運(yùn)行大容量軟件的問(wèn)題。本節(jié)講述虛擬存儲(chǔ)器的概念，并討論虛擬存儲(chǔ)器管理的三種方法：分段存儲(chǔ)管理、分頁(yè)存儲(chǔ)管理和段頁(yè)存儲(chǔ)管理。 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念  從操作系統(tǒng)的角度看，微機(jī)系統(tǒng)的資源分為兩大類：一類是硬件資源，包括微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備；另一類是軟件資源，即程序和數(shù)據(jù)。這些資源構(gòu)成了系統(tǒng)程序和用戶作業(yè)賴以活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和工作環(huán)境。針對(duì)這些資源，操作系統(tǒng)的資源管理程序分為四個(gè)部分：處理器管理、存儲(chǔ)器管理、外部設(shè)備管理和文件管理。 早期開(kāi)發(fā)

2、的操作系統(tǒng)只支持單任務(wù)、單用戶系統(tǒng)，對(duì)存儲(chǔ)器的管理比較簡(jiǎn)單。如MS DOS就是在8086/8088環(huán)境下開(kāi)發(fā)的磁盤操作系統(tǒng)，只支持單任務(wù)、單用戶操作。它管理的內(nèi)存空間最大為1MB，其中供用戶程序占用的空間只有640KB，且在內(nèi)存管理上采用靜態(tài)分配方式，不支持虛擬存儲(chǔ)器。在運(yùn)行程序時(shí)，必須把用戶程序一次調(diào)入內(nèi)存。而目前使用的Windows操作系統(tǒng)突破了DOS內(nèi)存1MB的限制，內(nèi)存最大可達(dá)4 096MB，支持多任務(wù)、多用戶操作，采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配管理方式，并且具有虛擬存儲(chǔ)器管理功能。 虛擬存儲(chǔ)器又稱為虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)，由主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器共同組成。它把輔助存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器的擴(kuò)充，對(duì)應(yīng)用程序員來(lái)說(shuō)，好

3、像微機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)容量很大的主存。 1地址空間及地址 CPU只能執(zhí)行已裝入主存的那一部分程序塊，與此同時(shí)，為了提高主存的空間利用率，還應(yīng)及時(shí)釋放已不使用的信息所占用的空間，以便裝入其他有用的信息。這樣，隨著程序的運(yùn)行，各種信息就會(huì)在主存與輔存之間不斷地調(diào)入、調(diào)出。在虛擬存儲(chǔ)器中要注意如下三個(gè)概念。 虛擬地址空間。又稱為虛存地址空間，是應(yīng)用程序員用來(lái)編寫程序的地址空間，與此相對(duì)應(yīng)的地址稱為虛擬地址或邏輯地址。 主存（內(nèi)存）地址空間。又稱為實(shí)存地址空間，是存儲(chǔ)、運(yùn)行程序的空間，其相應(yīng)的地址稱為主存物理地址或?qū)嵉刂贰?輔存（外存）地址空間也就是磁盤存儲(chǔ)器的地址空間，是用來(lái)存放程序的空間，相應(yīng)的地址稱為

4、輔存地址或磁盤地址。 不難看出，主存與輔存的關(guān)系極類似于主存與高速緩存的關(guān)系，但主存cache體系和主存輔存體系還有一些差別。 主存cache體系的目的是滿足程序?qū)λ俣鹊囊?，而主存輔存體系是為了滿足容量的要求。所以前者容量小，傳送信息塊的長(zhǎng)度短，讀/寫速度快；而后一種體系容量大，傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度長(zhǎng)，讀/寫速度相對(duì)較慢。 在主存cache體系中，CPU可以直接訪問(wèn)cache和主存；而在主存輔存體系結(jié)構(gòu)中，CPU不可以直接訪問(wèn)輔存。 為了保證速度，主存cache體系的存取信息過(guò)程、地址變換和替換策略全部采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而主存輔存體系基本上由操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理軟件輔助一些硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)塊的劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)

5、主存輔存之間的調(diào)度，所以需要設(shè)計(jì)存儲(chǔ)管理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。保護(hù)方式下的80486具有64TB（）的邏輯地址空間和4GB（）的物理地址空間。由于虛存地址空間比主存地址空間大得多，就必須根據(jù)某種規(guī)則把按邏輯地址編寫的程序裝入到主存儲(chǔ)器中去，并將邏輯地址轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的主存物理地址，程序才能運(yùn)行，這一過(guò)程稱為地址轉(zhuǎn)換。  2工作原理 虛擬存儲(chǔ)器的工作原理是：在執(zhí)行程序時(shí)，允許將程序的一部分調(diào)入主存，其他部分保留在輔存。即由操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理軟件先將當(dāng)前要執(zhí)行的程序段（如主程序）從輔存調(diào)入主存，暫時(shí)不執(zhí)行的程序段（如子程序）仍保留在輔存，當(dāng)需要執(zhí)行存放在輔存的某個(gè)程序段時(shí)，由CPU執(zhí)行某種程序

6、調(diào)度算法將它們調(diào)入主存。 虛擬存儲(chǔ)器由硬件和軟件（操作系統(tǒng)）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)信息的調(diào)度和管理，其工作過(guò)程如圖5.33所示。當(dāng)應(yīng)用程序訪問(wèn)虛擬存儲(chǔ)器時(shí)，必須給出邏輯地址（虛擬地址）。首先進(jìn)行內(nèi)部地址轉(zhuǎn)換（過(guò)程），如果要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)在主存中（也就是內(nèi)部地址轉(zhuǎn)換成功），則根據(jù)轉(zhuǎn)換所得到的物理地址訪問(wèn)主存儲(chǔ)器（過(guò)程）；如果內(nèi)部地址轉(zhuǎn)換失敗，則要根據(jù)邏輯地址進(jìn)行外部地址轉(zhuǎn)換（過(guò)程），得到輔存地址。與此同時(shí)，還需檢查主存中是否有空閑區(qū)（過(guò)程），如果沒(méi)有，就要根據(jù)替換算法，把主存中暫時(shí)不用的某塊數(shù)據(jù)通過(guò)I/O機(jī)構(gòu)調(diào)出，送往輔存（過(guò)程），再把由過(guò)程得到的輔存地址中的塊通過(guò)I/O機(jī)構(gòu)送往主存（過(guò)程）；如果主存中有空

7、閑區(qū)域，則直接把輔存中有關(guān)的塊通過(guò)I/O機(jī)構(gòu)送往主存（過(guò)程）。 塊是主存與輔存之間數(shù)據(jù)傳送的基本單位。根據(jù)對(duì)虛擬存儲(chǔ)器不同的管理方式，塊可以具體化為段、頁(yè)和段頁(yè)三種形式，在80486中就可相應(yīng)地形成段式存儲(chǔ)器、頁(yè)式存儲(chǔ)器和段頁(yè)式存儲(chǔ)器。 分段存儲(chǔ)管理 分段存儲(chǔ)管理的基本原理是：按程序的邏輯結(jié)構(gòu)，以段為單位劃分，各個(gè)段的長(zhǎng)度因程序而異。為了說(shuō)明邏輯段的各種屬性，系統(tǒng)為每一個(gè)段建立一個(gè)段表（駐留在內(nèi)存），記錄段的若干信息，如段號(hào)、段起點(diǎn)、段長(zhǎng)度和段裝入情況等。CPU通過(guò)訪問(wèn)段表，判斷該段是否已調(diào)入主存，并完成邏輯地址與物理地址之間的轉(zhuǎn)換。分段地址轉(zhuǎn)換如圖5.34所示。邏輯地址由段號(hào)S和段內(nèi)地址W組

8、成，段號(hào)S相當(dāng)于邏輯段的段名，它表示該邏輯段的起始地址。在進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)，操作系統(tǒng)用S檢索段表，段表中記錄的信息1表明該段已調(diào)入主存，b是S段裝入主存的起始地址，因此該邏輯地址對(duì)應(yīng)的物理地址為bW。 在分段存儲(chǔ)管理方式中，由于段的分界與程序的自然分界相對(duì)應(yīng)，所以具有邏輯獨(dú)立性，易于程序的編譯、管理、修改和保護(hù)，也便于多道程序共享。但是，因?yàn)槎蔚拈L(zhǎng)度參差不齊，起點(diǎn)和終點(diǎn)不定，給主存空間分配帶來(lái)了麻煩，容易在段間留下不能利用的“零頭”，造成浪費(fèi)。 分頁(yè)存儲(chǔ)管理1分頁(yè)存儲(chǔ)管理的基本原理 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的基本原理是：將主存空間和輔存空間分別等分為大小相等的若干頁(yè)，頁(yè)的大小為個(gè)字節(jié)，如（1KB），（2KB

9、），（4KB）等，并且為每個(gè)頁(yè)按順序指定一個(gè)頁(yè)號(hào)，即0頁(yè)、1頁(yè)、2頁(yè)、。為了敘述方便，把主存的頁(yè)（物理頁(yè)或絕對(duì)頁(yè)）稱為頁(yè)面。例如，若主存空間為8KB，輔存空間為16KB，頁(yè)的大小為1KB，則主存空間可分為8個(gè)頁(yè)面，其頁(yè)面號(hào)為07；輔存空間可分為16個(gè)頁(yè)，其頁(yè)號(hào)為015，如圖5.35所示。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，以“頁(yè)”為單位進(jìn)行地址映射，即操作系統(tǒng)以頁(yè)為單位把邏輯頁(yè)從輔存調(diào)入主存，存放在物理頁(yè)面上，供CPU執(zhí)行。在分頁(yè)存儲(chǔ)管理機(jī)制中，把邏輯頁(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯地址稱為線性地址。 2分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換 在分頁(yè)存儲(chǔ)管理中，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：選擇哪一個(gè)物理頁(yè)存放調(diào)入的邏輯頁(yè)？如何將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址？為了

10、解決這些問(wèn)題，系統(tǒng)為每一個(gè)頁(yè)建立一個(gè)頁(yè)表，保存在主存中，存放頁(yè)的若干信息，如頁(yè)號(hào)、容量、是否裝入主存、存放在主存的哪一個(gè)頁(yè)面上等。 CPU訪問(wèn)某頁(yè)時(shí)，首先要查找頁(yè)表，判斷要訪問(wèn)的頁(yè)是否在主存，若在主存為命中，否則為未命中。然后將未命中的頁(yè)按照某種調(diào)度算法由輔存調(diào)入主存，并根據(jù)邏輯頁(yè)號(hào)和存放的物理頁(yè)面號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換如圖5.36所示。 頁(yè)表在存儲(chǔ)器中的位置由頁(yè)表地址寄存器定位。圖5.36的頁(yè)表中記錄的狀態(tài)信息為：第1項(xiàng)頁(yè)號(hào)指示邏輯頁(yè)；第2項(xiàng)特征位記錄該邏輯頁(yè)是否裝入主存，“0”表示未裝入，“1”表示已裝入；第3項(xiàng)記錄該邏輯頁(yè)裝入主存所存放的物理頁(yè)的頁(yè)

11、面號(hào)，即1號(hào)邏輯頁(yè)從輔存調(diào)入主存后，存放在第7號(hào)物理頁(yè)面上。存儲(chǔ)單元的物理地址由頁(yè)面號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分組成，如圖5.37（a）所示。8KB主存的頁(yè)內(nèi)地址由地址線A9A0提供，可尋址1KB的頁(yè)內(nèi)存儲(chǔ)空間，地址范圍為01 023；頁(yè)面號(hào)由高3位地址線A12A10提供，8個(gè)頁(yè)面的頁(yè)面號(hào)為07。由此可以看出，頁(yè)面存儲(chǔ)單元的物理地址為 物理地址頁(yè)的大小×頁(yè)面號(hào)頁(yè)內(nèi)地址 線性地址的確定方法與物理地址的確定方法完全相同，也是由頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分組成，如圖5.37（b）所示。16KB輔存空間可分為16頁(yè)，頁(yè)內(nèi)地址由地址線A9A0提供，其頁(yè)號(hào)015由高4位地址線A13A10提供。  在進(jìn)行

12、地址轉(zhuǎn)換時(shí)，由于邏輯頁(yè)和物理頁(yè)的大小相等，它們的頁(yè)內(nèi)地址是相同的，所不同的是頁(yè)號(hào)，只要將線性地址的頁(yè)號(hào)轉(zhuǎn)換為物理地址的頁(yè)面號(hào)即可。在圖5.36中，給出1號(hào)邏輯頁(yè)中某條指令訪問(wèn)數(shù)據(jù)的邏輯地址為1024×14521 476，它存入主存7頁(yè)面上所對(duì)應(yīng)的物理地址為 1 024×74527 620。   段頁(yè)存儲(chǔ)管理 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的主要特點(diǎn)是主存利用率高且對(duì)輔存管理容易，但模塊化性能差；分段存儲(chǔ)管理的主要特點(diǎn)是模塊化性能好，但主存利用率不高且對(duì)輔存的管理比較困難。段頁(yè)存儲(chǔ)管理是將分段存儲(chǔ)管理和分頁(yè)存儲(chǔ)管理結(jié)合起來(lái)的一種折中方案。它首先將程序按其邏輯結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)大小不等的邏輯段，然后再將每個(gè)邏輯段劃分為若干個(gè)大小相等的邏輯頁(yè)。主存空