4.3 存儲空間的組織

1、4.3 存儲空間的組織一、內存儲器的管理技術二、外存儲器中文件的組織結構1一、內存儲器的管理技術 1.存儲器的層次2.存儲器管理的功能 3.虛擬存儲的概念4.存儲器有關概念5.存儲管理基本技術2 1.存儲器的層次32.存儲器管理的功能 (1)內存空間的分配與回收(2)地址變換(3)存儲共享與保護(4)存儲器擴充4(1)內存空間的分配與回收(2)地址變換為了保證CPU執(zhí)行程序指令時能正確訪問存儲單元，需要將用戶程序中的邏輯地址轉換為運行時可由機器直接尋址的物理地址，這一過程稱為地址變換或地址重定位。任何進程要在CPU上執(zhí)行，都必須首先裝入內存，需要一定數(shù)量的存儲單元用以存放程序和數(shù)據(jù)。因此，操作

2、系統(tǒng)應能記住內存空間的使用情況；實施內存的分配，回收系統(tǒng)或用戶釋放的內存空間。2.存儲器管理的功能 5(3)存儲共享與保護(4)存儲器擴充2.存儲器管理的功能 由于多道程序共享內存，使內存資源更為緊張，可以在硬件支持下，將外存作為主存的擴充部分供用戶程序使用，這就是內存擴充。即要求操作系統(tǒng)根據(jù)個時刻用戶程序允許的情況確保當前需要的程序和數(shù)據(jù)在內存，而其余部分可以暫時放在外存，等需要時再調入內存。由于各用戶程序與操作系統(tǒng)同在內存，因此，一方面允許各用戶程序能夠共享系統(tǒng)或用戶的程序和數(shù)據(jù)，另一方面又要求各程序之間互不干擾或破壞對方。63.虛擬存儲的概念 根據(jù)程序的時間局部性和空間局部性，不必將程序

3、全部讀入內存，而只需將當前用到的信息進入內存，其他當前未用的信息留在外存；而當作業(yè)進一步運行需要用到外存中的信息時，再把已經用過但暫時還不會用得的信息換到外存，把當前需要的信息換到已空出的內存空間中。 從效果上看，這樣的計算機系統(tǒng)好像為用戶提供了一個存儲容量比實際內存大得多的存儲器，這個存儲器稱為虛擬存儲器。 虛擬存儲器的大小受外存容量的限制。71） 邏輯地址：用戶程序經編譯之后的每個目標模塊都以0為基地址順序編址。 2） 物理地址：內存中各物理單元的地址是從統(tǒng)一的基地址順序編址。 4.存儲器有關概念3） 重定位：把邏輯地址轉變?yōu)閮却娴奈锢淼刂返倪^程。4） 碎片：內存中容量太小、無法被利用的小

4、分區(qū)。 5） 靜態(tài)重定位：是在目標程序裝入內存時，由裝入程序對目標程序中的指令和數(shù)據(jù)的地址進行修改，即把程序的邏輯地址都改成實際的內存地址。重定位在程序裝入時一次完成896）動態(tài)重定位：在程序執(zhí)行期間，每次訪問內存之前進行重定位，這種變換是靠硬件地址變換機構實現(xiàn)的。 105.存儲管理基本技術1) 固定分區(qū)：分區(qū)的個數(shù)、分區(qū)的大小固定不變； 每個分區(qū)只能放一道作業(yè)。 優(yōu)點：管理方式簡單。 缺點：內存空間利用率低。 2) 動態(tài)分區(qū)法：分區(qū)大小和個數(shù)依作業(yè)情況而定；作業(yè)進入內存時才建分區(qū)。 優(yōu)點：按需分配內存 缺點：產生大量碎片。 (1)界地址存儲管理11(2)分頁存儲管理1.分頁的概念 1)邏輯空

5、間等分為頁； 2)物理空間等分為塊，與頁面大小相同； 3)邏輯地址表示：（如，頁面大小為1K）4)內存分配原則：以塊為單位，邏輯上相鄰的頁可以分配在不相鄰的內存塊中。PW頁號頁內偏移量12例，設程序的邏輯地址空間劃分為1024字節(jié)大小的若干頁，一個程序作業(yè)占用3頁，由管理程序將其分別分配給主存空間的第2、第3和第8塊。程序作業(yè)的具體任務是從邏輯地址為2500處取得一個數(shù)據(jù)。圖給出了該例邏輯地址與物理地址的對應關系。13(3)分段存儲管理在頁式存儲管理方案中，為作業(yè)分配的主存空間地址可以是不連續(xù)的，但作業(yè)的邏輯空間地址仍然要求是連續(xù)的。而在實際中，一個用戶的程序往往是由若干功能相對獨立的模塊組成

6、的，如主程序模塊、子程序模塊、數(shù)據(jù)塊等。我們把各種相對獨立的程序和數(shù)據(jù)模塊稱為段。每個段都具有完整的邏輯意義。段式存儲管理就是以段作為基本單位的主存管理方法。14 在段式存儲管理下，每個用戶程序可由若干段組成，每段可以對應于一個過程、一個程序模塊或一個數(shù)據(jù)集合，段間的地址可以是不連續(xù)的，但每一段內的地址是連續(xù)的。將一個用戶程序的所有邏輯段從0開始編號，稱為段號，每一段內的所有單元從0開始編址，稱為段內地址。用戶程序地址空間的每一個單元都用二維地址表示，即邏輯地址由段號和段內地址兩部分組成：分段管理基本原理15(4)段頁式存儲管理 前面所介紹的頁式和段式存儲管理方式都各有其優(yōu)缺點。頁式系統(tǒng)能有效

7、地提高內存利用率，而段式系統(tǒng)則能很好地滿足用戶需求。如果對兩種存儲管理方式“各取所長”后，則可以形成一種新的存儲管理方式。這種新系統(tǒng)既具有分段系統(tǒng)便于實現(xiàn)、分段可共享、易于保護、可動態(tài)鏈接等一系列優(yōu)點，又能像分頁系統(tǒng)那樣很好地解決內存的外部碎片問題，以及為各個分段可離散地分配內存等問題。這種結合段式管理及頁式管理優(yōu)點的存儲管理方式稱為段頁式存儲管理。16 段頁式系統(tǒng)的基本原理是段式和頁式原理的結合，即先將用戶程序分為若干個段，再把每個段劃分成若干頁；內存空間采用頁式方法來分配和管理，即把內存空間劃分為若干個與頁大小相等的塊。內存空間是以頁為基本單位分配給每個用戶程序的，在邏輯上相鄰的頁面，在內

8、存中不一定相鄰。在段頁式系統(tǒng)中，其有效地址結構由段號、段內頁號及頁內地址三部分組成：段頁管理基本原理17段頁式系統(tǒng)的作業(yè)地址空間示意圖18二、外存儲器中文件的組織結構1.文件、文件系統(tǒng)的概念2.文件的分類3.文件的物理結構4.文件的目錄結構191.文件、文件系統(tǒng)的概念1文件：是具有符號名字的一組相關元素的有序集合。2文件系統(tǒng)：是操作系統(tǒng)中負責存取和管理文件的軟件機構。它實現(xiàn)文件的共享和保護，方便用戶“按名存取”。3. 文件的命名：文件名=文件名（正名）+擴展名.擴展名含義擴展名含義.exe可執(zhí)行文件.jpg圖片.com可執(zhí)行文件.gif動畫.bat批處理文件.htm.html超文本文件.zip

9、壓縮文件.bmp圖片.rar壓縮文件.swf動畫文件202.文件的分類為便于文件的控制和管理，通常把文件分成若干類型。 文件按其性質和用途可分為：系統(tǒng)文件有關操作系統(tǒng)及其它系統(tǒng)程序的信息所組成的文件。這類文件對用戶不直接開放，只能通過系統(tǒng)調用為用戶服務。(2) 庫文件由系統(tǒng)提供給用戶使用的各種標準過程、函數(shù)和應用程序文件。這類文件允許用戶調用，但不允許用戶修改。(3) 用戶文件由用戶建立的的文件，如源程序、目標程序、以及由原始數(shù)據(jù)、計算結果等組成的文件。21(1) 只讀文件：允許文件所有者或授權用戶對文件進行讀，但不允許寫。 根據(jù)文件的保護方式，文件可分為：2.文件的分類（續(xù)）(2) 讀寫文件

10、：允許文件所有者或授權用戶對文件進行讀寫，但禁止未核準的用戶讀、寫。(3)執(zhí)行文件：允許核準用戶調用執(zhí)行，但不允許對它進行讀寫。(4) 不保護文件：所有用戶都可以存取。22 按數(shù)據(jù)形式文件可分為：2.文件的分類（續(xù)）(1) 源文件：指由源程序或數(shù)據(jù)構成的文件。通常由終端或輸入設備的源程序和數(shù)據(jù)所形成的文件都屬于源文件。(2) 目標文件：指由源程序編譯以后，但尚未鏈接的目標代碼形成的文件。目標文件屬于二進制文件。(3) 可執(zhí)行文件：編譯后的目標代碼經鏈接程序鏈接后形成的可以允許的文件。233.文件的物理結構 文件的物理結構是指文件的內部組織形式，亦即文件在物理存儲設備上的存放方法。它和文件的存取

11、方法密切相關。文件的物理結構好壞，直接影響到文件系統(tǒng)的性能。因此，只有針對文件或系統(tǒng)的適用范圍建立起合適的物理結構，才能既有效地利用存儲空間，又便于系統(tǒng)對文件的處理。 文件在邏輯上是連續(xù)的，而在文件空間中的存放位置可以有各種形式。根據(jù)文件空間中的存放形式，文件可分為連續(xù)文件、串連文件和索引文件。24(1)連續(xù)文件把邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放在連續(xù)編號的物理塊中.優(yōu)點是訪問速度快，缺點是文件長度增加困難。25(2)鏈接文件 邏輯上連續(xù)的文件分散存放在若干不連續(xù)的物理塊中，每個物理塊設有一個指針，指向其后續(xù)的物理塊。只要指明文件的第一個塊號，就可以按鏈指針檢索整個文件。優(yōu)點是：文件可以動態(tài)地增長

12、，不必事先提出長度要求。另外，由于不必連續(xù)分配，因而不會造成整塊空間的浪費。26(3)索引文件 索引文件的組織方式要求為每個文件建立一張索引表，表中的每個項目指出了文件的邏輯塊號和與之對應的物理塊號。索引表也以文件的形式存在磁盤上，只要給出索引表的地址，通過索引表就可以查找到文件信息的存放位置.27 這種結構有利于進行隨機存取，并具備串連文件的所有優(yōu)點。缺點是存儲開銷大，因為每個文件有一個索引表，而索引表也要占用存儲空間。(3)索引文件（續(xù)）284.文件的目錄結構 在一個計算機系統(tǒng)中保存有許多文件，用戶在創(chuàng)建和使用文件時只給出文件的名字，由文件系統(tǒng)根據(jù)文件名找到指定文件。為了便于對文件進行管理，設置了文件目錄，用于檢索系統(tǒng)中的所有文件。文件系統(tǒng)的基本功能之一就是負責目錄的編排、維護和目錄的檢索，因此，要求目錄的編排便于尋址，并且要防止沖突，目錄的檢索要迅速方便。291文件控制塊FCB 文件控制塊FCB是系統(tǒng)為管理文件而設置的一個數(shù)據(jù)結構。FCB是文件存在的標志，它記錄了系統(tǒng)管理文件所需要的全部信息。FCB通常應包括以下內容：文件名、文件號、用戶名、文件的物理位置、文件長度、記錄大小、文件類型、文件屬性、共享說明、文件邏輯結構、文件物理結構、建立文件的日期和時間、最后訪問日期和時間、最后修改日期和時間