第14講 存儲(chǔ)器管理之基本分段存儲(chǔ)管理方式

1、第十四講 存儲(chǔ)器管理之基本分段存儲(chǔ)管理方式分段存儲(chǔ)管理方式也是一種離散分配方式，只是其分配的基本單位事段。1 分段存儲(chǔ)管理方式的引入為什么要引入分段？分段有哪些優(yōu)點(diǎn)？我們現(xiàn)在了解一下。1 方便編程： 因?yàn)閷?shí)際編程中，用戶作業(yè)通常按照邏輯關(guān)系分為幾個(gè)段，每個(gè)段都是從0開始編址，并有名字和長(zhǎng)度，訪問(wèn)的邏輯地址由段名和段內(nèi)偏移量決定。此存儲(chǔ)管理方式就按邏輯上有聯(lián)系的段來(lái)進(jìn)行管理，方便編程。2 信息共享： 從上面可以得知，段是信息的邏輯單位，也就是段具有實(shí)際的邏輯意義。這和前一講的“頁(yè)”完全不同。因此要實(shí)現(xiàn)段的共享，就要求存儲(chǔ)管理能與用戶程序的分段組織方式相適應(yīng)。3 信息保護(hù)： 信息保護(hù)同樣是對(duì)信息的

2、邏輯單位進(jìn)行保護(hù)，因此分段管理方式能有效的實(shí)現(xiàn)信息保護(hù)。4 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)： 實(shí)際應(yīng)用中，某些段（數(shù)據(jù)段）會(huì)不斷增長(zhǎng)，前面的存儲(chǔ)管理方法均難以實(shí)現(xiàn)。而分段卻可以解決這個(gè)問(wèn)題。5 動(dòng)態(tài)鏈接： 要求以段為單位。 由此我們理解為什么要引入分段存儲(chǔ)管理。2 分段系統(tǒng)的基本原理2.1 空間劃分（分段）將用戶作業(yè)的地址空間依照相應(yīng)的邏輯信息組的長(zhǎng)度來(lái)劃分若干個(gè)段，各段的長(zhǎng)度不等。各段有段名（常用段號(hào)代替），段內(nèi)首地址為0。段地址結(jié)構(gòu)如下圖：一般我們常見的有代碼段、數(shù)據(jù)段、共享段等等。2.2 內(nèi)存分配在為作業(yè)分配內(nèi)存時(shí)，也以段為單位，分配一段連續(xù)的物理地址空間；段間不必連續(xù)。如下圖注意：1、 整個(gè)作業(yè)的邏輯地址空

3、間是二維的，其邏輯地址由段號(hào)和段內(nèi)地址組成。頁(yè)式管理是把內(nèi)存視為一維線性空間；而段式管理是把內(nèi)存視為二維空間。怎么理解？有的同學(xué)說(shuō)分頁(yè)也是二維的，頁(yè)號(hào)一維，頁(yè)內(nèi)地址一維?？偣彩嵌S。其實(shí)不然站在進(jìn)程的角度而言，就會(huì)發(fā)現(xiàn)分頁(yè)是一維的，而分段是二維的。對(duì)一個(gè)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，在分頁(yè)式系統(tǒng)中，它的內(nèi)容會(huì)保存在多頁(yè)里，即進(jìn)程的內(nèi)容由一維頁(yè)序列保存，通過(guò)頁(yè)表映射來(lái)進(jìn)行尋址。請(qǐng)注意，頁(yè)內(nèi)地址對(duì)進(jìn)程而言是沒(méi)有意義的，在從邏輯地址到頁(yè)表訪問(wèn)到物理地址的映射都是由OS管理的。所以在分頁(yè)系統(tǒng)中將頁(yè)內(nèi)地址作為一個(gè)維度是沒(méi)有實(shí)際意義的。但是在分段式系統(tǒng)中，進(jìn)程的內(nèi)容會(huì)保存在多個(gè)相互獨(dú)立的段里，段內(nèi)的地址是單獨(dú)編址的，如代碼段

4、內(nèi)偏移154，數(shù)據(jù)段內(nèi)偏移209。舉例說(shuō)明：對(duì)分頁(yè)系統(tǒng)而言，給出一個(gè)地址2345，OS會(huì)根據(jù)進(jìn)程對(duì)應(yīng)的頁(yè)表算出它在第幾頁(yè)內(nèi)，偏移是多少。而在OS外部，邏輯地址是一維的。對(duì)于分段系統(tǒng)而言，訪問(wèn)一個(gè)地址，必須給出“段號(hào)段內(nèi)偏移”，因此，邏輯地址就是二維的了。所以說(shuō)，分頁(yè)是一維地址管理、分段是二維地址管理。2、 需要CPU的硬件支持（地址變換機(jī)構(gòu)）2.3 段表u 概念：系統(tǒng)中為每個(gè)進(jìn)程建立一張段映射表，就是段表。u 段表內(nèi)容：每個(gè)段在表中占有一個(gè)表項(xiàng)，其中記錄了該段在內(nèi)存中的起始地址（又叫“基址”）和段的長(zhǎng)度。段表如下圖u 存儲(chǔ)位置：可以存儲(chǔ)于寄存器。但一般存放在內(nèi)存。u 作用：記錄了段與內(nèi)存位置的

5、對(duì)應(yīng)關(guān)系u 注意：訪問(wèn)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)/指令需訪問(wèn)內(nèi)存2次(段表一次,內(nèi)存一次),所以也出現(xiàn)內(nèi)存訪問(wèn)速度降低的問(wèn)題。利用段表實(shí)現(xiàn)地址映射如下圖2.4 地址變換機(jī)構(gòu)地址變換過(guò)程：系統(tǒng)中設(shè)置段表寄存器，用于存放段表起始地址和段表長(zhǎng)度TL。在進(jìn)行地址變換時(shí)，系統(tǒng)將邏輯地址中的段號(hào)與段表長(zhǎng)度TL進(jìn)行比較。若S>TL，則訪問(wèn)越界。否則，根據(jù)段表的起始地址和該段的段號(hào)，計(jì)算出該段對(duì)應(yīng)段表項(xiàng)的位置，從中讀出該段在內(nèi)存中的起始地址。再檢查段內(nèi)地址D是否超過(guò)該段的段長(zhǎng)SL。若超過(guò)則越界，否則將該段的基址和段內(nèi)地址相加，即可得到要訪問(wèn)的內(nèi)存物理地址。如下圖例1：某段表的內(nèi)容如下：段號(hào) 段首址 段長(zhǎng)度0 120

6、K 40K1 760K 30K2 480K 20K3 370K 20K一邏輯地址為（2154），它對(duì)應(yīng)的物理地址為多少？解：邏輯地址為：段號(hào)段內(nèi)地址由段表可知段號(hào)為2位，段內(nèi)地址為16位，段允許的最大長(zhǎng)度為 216=210*26=1024*64=65536。 所以邏輯地址2154的段號(hào)為0，查段表知其對(duì)應(yīng)的物理地址為： 120K+2154例2：在一個(gè)段式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，其段表為： 段號(hào) 內(nèi)存起始地址 段長(zhǎng) 0 210 500 1 2350 20 2 100 90 3 1350 590 4 1938 9504302120試求表中邏輯地址對(duì)應(yīng)的物理地址是什么？解：邏輯地址為：段號(hào)段內(nèi)地址由段表可知

7、段號(hào)為3位，段內(nèi)地址為10位。邏輯地址 0430對(duì)應(yīng)的物理地址為：210+430=640邏輯地址 2120因?yàn)槎蝺?nèi)地址120>段長(zhǎng)90，所為該段為非法段。2.5 分頁(yè)和分段的主要區(qū)別3 信息共享與保存3.1共享：分頁(yè)系統(tǒng)中雖然也能實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的共享，但遠(yuǎn)不如分段系統(tǒng)方便。分段系統(tǒng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)段的共享，允許若干個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)或多個(gè)分段，且對(duì)段的保護(hù)十分簡(jiǎn)單易行。分段系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)共享只需要在每個(gè)進(jìn)程的段表中為共享段設(shè)置一個(gè)段表項(xiàng)。如圖其中，p1,p2是進(jìn)程3.2 保護(hù)保護(hù)方式：地址越界保護(hù)；存取控制保護(hù)段表的改進(jìn)，實(shí)際就是增加了存取控制字段如圖4 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式引言：段式優(yōu)

8、于頁(yè)式，便于共享和保護(hù)，沒(méi)有內(nèi)碎片，外碎片可以通過(guò)內(nèi)存“緊湊”來(lái)消除。一看緊湊，就必然要進(jìn)行重定位，需要硬件實(shí)現(xiàn)，因此麻煩。頁(yè)式優(yōu)于段式，消除“外碎片”問(wèn)題，沒(méi)有外碎片，每個(gè)內(nèi)碎片不超過(guò)頁(yè)大小。段頁(yè)式：結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)進(jìn)程包含若干段，每個(gè)段包含若干頁(yè)內(nèi)碎片:是指頁(yè)面內(nèi)部沒(méi)有被使用的存儲(chǔ)區(qū)域,在頁(yè)式存儲(chǔ)方式中,會(huì)出現(xiàn)內(nèi)碎片。 外碎片:是指沒(méi)有得到分配權(quán)的存儲(chǔ)區(qū)域,在段式存儲(chǔ)方式中,會(huì)產(chǎn)生外碎片總結(jié)：固定分區(qū)：優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)，開銷小。缺點(diǎn)：內(nèi)碎片造成浪費(fèi) 分區(qū)總數(shù)固定，限制了并發(fā)執(zhí)行的程序數(shù)目。信息共享困難動(dòng)態(tài)分區(qū)：優(yōu)點(diǎn)：無(wú)內(nèi)碎片；內(nèi)存利用率高于固定分區(qū)，可裝入更多進(jìn)程。缺點(diǎn)：有外碎片；分配、回

9、收較固定分區(qū)復(fù)雜；信息共享困難。靜態(tài)頁(yè)式：優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有外碎片，每個(gè)內(nèi)碎片不超過(guò)頁(yè)大小。一個(gè)程序不必連續(xù)存放。由于頁(yè)的大小相等，內(nèi)存的分配、回收簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：程序要求全部裝入內(nèi)存，才能執(zhí)行靜態(tài)段式：優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有內(nèi)碎片，外碎片可以通過(guò)內(nèi)存緊縮來(lái)消除。缺點(diǎn)：進(jìn)程要求全部裝入內(nèi)存?！皟?nèi)碎片”和“外碎片”是碎片的兩種主要表現(xiàn)形式。消除“內(nèi)碎片”需要將內(nèi)存按程序需要的大小來(lái)分配；而消除“外碎片”則需要按固定大小來(lái)分配內(nèi)存的方法。而將這兩種方法結(jié)合，是能夠更有效地解決碎片問(wèn)題的“段頁(yè)式存儲(chǔ)管理”就是這樣的一種技術(shù)。它將內(nèi)存分為大小相等的若干頁(yè)面，避免了“外碎片”。同時(shí)，又將程序按內(nèi)在的邏輯關(guān)系分成若干大小不一定相

10、等的段，并將這些段再細(xì)分為若干頁(yè)進(jìn)行內(nèi)存分配，這樣不但使內(nèi)碎片變得更小，提高了內(nèi)存的利用率，還保留了段式存儲(chǔ)管理便于動(dòng)態(tài)鏈接的優(yōu)點(diǎn)。可以說(shuō)“段頁(yè)式存儲(chǔ)管理”非常好地解決了內(nèi)存碎片問(wèn)題。1 基本原理基本原理：是先將用戶程序分成若干個(gè)段，再把每個(gè)段分成若干個(gè)頁(yè)，并為每一個(gè)段賦予一個(gè)段名。再把每個(gè)段分成若干個(gè)頁(yè)（頁(yè)式）。其地址結(jié)構(gòu)由段號(hào)、段內(nèi)頁(yè)號(hào)、及頁(yè)內(nèi)位移三部分所組成。下圖是作業(yè)地址空間和地址結(jié)構(gòu)。該圖顯示一個(gè)作業(yè)有三個(gè)段。頁(yè)面大小是4kB.分別是主程序段、子程序段、數(shù)據(jù)段。04K8K12K15K16K主程序段04K8K子程序段04K8K12K10K數(shù)據(jù)段作業(yè)地址空間：地址結(jié)構(gòu)：頁(yè)內(nèi)地址(W)段內(nèi)頁(yè)號(hào)(P)段號(hào)(S)2 地址變換過(guò)程2.1 地址變換過(guò)程在段頁(yè)式系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)地址變換，增加一個(gè)段表寄存器，用來(lái)存放段表始址和段長(zhǎng)。進(jìn)行地址變換時(shí)，首先利用段號(hào)S和段長(zhǎng)TL比較。若S<TL，表示沒(méi)越界。于是利用段表起始地址和段號(hào)求出該段所對(duì)應(yīng)的段表項(xiàng)在段表的位置，從中得到該段的頁(yè)表地址，并利用邏輯地址中的段內(nèi)頁(yè)號(hào)P來(lái)獲得對(duì)應(yīng)頁(yè)的頁(yè)表項(xiàng)位置，從中