操作系統(tǒng)教程：主存器和連續(xù)存儲管理

CH4存儲管理(1)

4.1主存儲器4.2連續(xù)存儲空間管理4.3分頁式存儲管理4.4分段式存儲管理4.5虛擬存儲管理CH4存儲管理(2)

4.6實例研究：IntelPentium存儲管理硬件設(shè)施4.7Windows2000/XP虛擬存儲管理

4.8實例研究：Linux虛擬存儲管理

存儲管理的功能主存儲空間的分配和去配。地址轉(zhuǎn)換和存儲保護。主存儲空間的共享。主存儲空間的擴充。4.1主存儲器

4.1.1存儲器的層次4.1.2快速緩存（caching）4.1.3地址轉(zhuǎn)換與存儲保護

4.1.1存儲器的層次(1)

寄存器高速緩存主存儲器磁盤緩存固定磁盤可移動存儲介質(zhì)存儲器的層次(2)

某臺計算機存儲器層次配置CPU中的寄存器100個字；高速緩存512KB，存取周期15ns；主存儲器128MB，存取周期60ns；磁盤容量20GB，存取周期毫秒級；后援存儲容量1TB，存取周期秒級。4.1.2快速緩存(Chaching)

快速緩存CachingCache的管理Cache數(shù)據(jù)的一致性問題Cache數(shù)據(jù)的一致性問題(1)

層次式存儲結(jié)構(gòu)中，相同的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)在不同的層次上。對文件B中一個整數(shù)A做加1操作的例子。Cache數(shù)據(jù)的一致性問題(2)

多CPU環(huán)境中，除維護CPU寄存器外，還包含數(shù)據(jù)Cache，數(shù)據(jù)的副本可能同時出現(xiàn)在若干個Cache中。CPU并發(fā)地執(zhí)行，對數(shù)據(jù)在某個Cache中的修改，會影響到數(shù)據(jù)所在的所有Cache，這個問題稱作緩沖一致性(Coherency)問題，這種一致性通常由硬件來保證。Cache數(shù)據(jù)的一致性問題(3)

分布式環(huán)境中，同一個文件的不同副本可能存儲在地理上分散的不同計算機中，各個副本在一個地方被修次，所有其他副本立刻就成為過時的了。有許多途徑能確保文件一致性。4.1.3地址轉(zhuǎn)換與存儲保護

邏輯地址（相對地址）與物理地址（絕對地址）邏輯地址空間與物理地址空間地址轉(zhuǎn)換或重定位靜態(tài)重定位與動態(tài)重定位

存儲保護4.2連續(xù)存儲空間管理4.2.1單用戶連續(xù)存儲管理4.2.2固定分區(qū)存儲管理4.2.3可變分區(qū)存儲管理4.2.1單用戶連續(xù)存儲管理

靜態(tài)定位柵欄寄存器重定位和存儲保護

操作系統(tǒng)區(qū)作業(yè)i的程序、數(shù)據(jù)等界限地址柵欄寄存器作業(yè)2作業(yè)1界限地址+邏輯地址裝入程序單用戶連續(xù)存儲管理缺點

?處理器和外部設(shè)備串行工作；?一個作業(yè)獨占主存儲空間，降低存儲空間的利用率；?計算機的外圍設(shè)備利用率不高。動態(tài)重定位單連續(xù)存儲管理

操作系統(tǒng)區(qū)用戶區(qū)界限地址定位寄存器邏輯地址CPU絕對地址4.2.2固定分區(qū)存儲管理

分區(qū)存儲管理的基本思想：給進入主存的用戶進程劃分一塊連續(xù)存儲區(qū)域，把進程裝入該連續(xù)存儲區(qū)域,使各進程能并發(fā)執(zhí)行,這是能滿足多道程序設(shè)計需要的最簡單的存儲管理技術(shù)。固定分區(qū)存儲管理分割主存儲器空間成若干個連續(xù)區(qū)域

操作系統(tǒng)區(qū)（8KB）用戶分區(qū)1（8KB）用戶分區(qū)2（16KB）用戶分區(qū)3（16KB）用戶分區(qū)4（16KB）用戶分區(qū)5（32KB）用戶分區(qū)6（32KB）固定分區(qū)存儲管理的地址轉(zhuǎn)換和存儲保護

B下限寄存器邏輯地址CPU絕對地址操作系統(tǒng)區(qū)用戶分區(qū)1用戶分區(qū)2用戶分區(qū)3B+L2上限寄存器<B+L2越界中斷用戶分區(qū)4用戶分區(qū)5用戶分區(qū)6作業(yè)進入分區(qū)排隊策略一是每個分區(qū)排一個等待處理的隊列,等待處理作業(yè)大小不均,導(dǎo)致有的分區(qū)空閑而有的分區(qū)忙碌;二是所有等待處理的作業(yè)排成一個隊列,當調(diào)度其中一個進入分區(qū)運行時,選擇可容納它的最小可用分區(qū),以充分利用主存。4.2.3可變分區(qū)存儲管理

可變分區(qū)(variablepartition)存儲管理是按作業(yè)的實際大小來劃分分區(qū)，且分區(qū)個數(shù)也是隨機的,實現(xiàn)多個作業(yè)對內(nèi)存的共享，進一步提高內(nèi)存資源利用率。

可變分區(qū)方式主存分配示例

操作系統(tǒng)作業(yè)1空閑區(qū)作業(yè)2空閑區(qū)4KB10KB46KB52KB128KB操作系統(tǒng)作業(yè)1空閑區(qū)作業(yè)2空閑區(qū)4KB10KB40KB46KB52KB128KB作業(yè)3操作系統(tǒng)作業(yè)1空閑區(qū)4KB10KB40KB128KB作業(yè)3可變分區(qū)存儲管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

可變分區(qū)主存分配表可由兩張表格組成，一張稱”已分配區(qū)表”另一張”未分配區(qū)表”

可變分區(qū)的回收算法(1)當一個進程X撤離時，可分成四種情況：(1)其鄰近都有進程（A和B），(2)一邊有進程（A或B），(3)兩邊均為空閑區(qū)（黑色區(qū)域）。

可變分區(qū)的回收算法(2)

A

X

B

A

B

A

X

A

X

B

B

x

變?yōu)樽優(yōu)樽優(yōu)樽優(yōu)閄終止前X終止后鏈表空閑區(qū)管理方法內(nèi)存空閑區(qū)的開頭單元存放本空閑區(qū)長度及下一個空閑區(qū)起始地址,所有空閑區(qū)都鏈接起來,設(shè)置第一塊空閑區(qū)地址指針,讓它指向第一塊空閑區(qū)地址。申請空閑區(qū);歸還空閑區(qū)?？勺兎謪^(qū)管理的分配算法

1）最先適應(yīng)分配算法

2）下次適應(yīng)分配算法3)最優(yōu)適應(yīng)分配算法

4）最壞適應(yīng)分配算法5)快速適應(yīng)分配算法

查找和分配算法比較(1)從搜索空閑區(qū)速度及主存利用率來看,最先適用分配、下次適應(yīng)分配和最佳適應(yīng)算法比最壞適應(yīng)算法性能好。如果空閑區(qū)按從小到大排列,則最先適用分配算法等于最優(yōu)適應(yīng)分配算法。如果空閑區(qū)按從大到小排列,則最先適用分配算法等于最壞適應(yīng)分配算法。查找和分配算法比較(2)空閑區(qū)按從小到大排列時,最先適用分配算法能盡可能使用低地址區(qū),從而高地址空間有較大的空閑區(qū)容納大的作業(yè)。下次適應(yīng)分配算法會使存儲器空間得到均衡使用。最優(yōu)適應(yīng)分配算法的主存利用率最好,但可能會導(dǎo)致空閑區(qū)分割下來的部分很小。查找和分配算法比較(3)處理某種作業(yè)序列時,最壞適應(yīng)分配算法可能性能最佳,它選擇最大空閑區(qū),使得分配后剩余下來的空閑區(qū)不會太小,仍能用于再分配。最先適應(yīng)算法簡單、快速，在實際的操作系統(tǒng)中用得較多；其次是最佳適應(yīng)算法和下次適應(yīng)算法。2

可變分區(qū)地址轉(zhuǎn)換與存儲保護

基址基址寄存器邏輯地址CPU絕對地址操作系統(tǒng)區(qū)空閑分區(qū)1用戶作業(yè)1空閑分區(qū)2限長限長寄存器<限長越界中斷多對基址/限長寄存器允許一個進程占用兩個或多個分區(qū)。規(guī)定某對基址/限長寄存器的區(qū)域是共享的，用來存放共享的程序和常數(shù)，對共享區(qū)域的信息只能讀出不能寫入。進程共享的例行程序就可放在限定的公用區(qū)域中,而讓進程的共享部分具有相同的基址/限長值。3移動技術(shù)

操作系統(tǒng)作業(yè)1空閑區(qū)作業(yè)2空閑區(qū)作業(yè)3空閑區(qū)操作系統(tǒng)作業(yè)1作業(yè)2作業(yè)3