计算机操作系统第5章

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5.1.1 存储层次结构



第一层次是高速、昂贵而容量很小的高速缓冲存 储器（Cache）和寄存器； 第二层次是速度快、价格高而数据易丢失的内存 和磁盘缓存； 第三层次是速度较低、价格低廉、容量极大而存 储内容不易丢失的外存和可移动磁盘介质，如硬 盘、光盘、U盘等。
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5.1.1 存储层次结构
绝对和可重定位装入模块
符号地址 程序 JUMP i i LOAD j j DATA 2224 1424 LOAD 2224 1200 绝对地址 1024 JUMP 1424 400 LOAD 1200 相对地址 0 JUMP 400
（a）目标模块
（b）绝对装入模块 （c）相对装入模块
程序的装入
2. 可重定位装入方式(Relocation Loading Mode) 把在装入时对目标程序中的指令和数据地址的修改过程 称为重定位。 对于相对装入模块，应采用可重定位装入方式来把装入 模块装入内存。 装入相对装入模块时，装入程序要将模块的起始地址与 内存某位置的地址相加，才能将模块定位到正确的物理地址， 同样，模块中的指令地址和数据地址都要相应修改。 因地址变换只是在装入时一次完成，以后不再改变，故 称为静态重定位。
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5.3 分区存储管理
5.3.2 固定分区管理

固定分区式分配是最简单的一种可运行多道程序的存 储管理方式。这是将内存用户空间划分为若干个固定 大小的区域，在每个分区中只装入一道作业，这样， 把用户空间划分为几个分区，便允许有几道作业并发 运行。 当某一分区空闲时，便可以从外存的后备作业队列中 选择一个适当大小的作业装入该分区，当该作业结束 时，又可再从后备作业队列中找出另一作业调入该分 区。
程序的链接
实现链接的方法有三种：静态链接、装入时动态链 接和运行时动态链接。 装入模块 目标模块 1、静态链接：
0
需要解决的 两个问题： 1、对相对地 址进行修改 2、变换外部 调用符号
L-1 0
模块A CALL B: RETURN 模块B CALL C: RETURN 模块C
0
M-1
0
模块B JSR “L+M” L+M-1 RETURN L+M 模块C L+M+N-1 RETURN
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5.3 分区存储管理
分区号 大小KB １ 2 3 4 12 32 64 128 地址KB 20 32 64 128 状态 已分配 已分配 64KB 已分配 128KB 已分配 作业Ｃ 24KB 32KB 操作系统 作业Ａ 作业Ｂ
…...
(a) 分区分配表
256KB (b) 存储空间分配情况


5.2 地址重定位
一个逻辑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，需要进行地址变换， 称为地址重定位。 此时，相对地址空间（也称为逻辑地址空间） 通过地址重定位机构转换到绝对地址空间（也称 为物理地址空间）。
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5.2 地址重定位
地址空间是逻辑地址的集合，存储空间是物 理地址的集合。名字空间、地址空间和存储空间 的关系如图5.2所示
寄存器具有与处理机相同的速度，故对寄存器的访问
速度最快，完全能与CPU协调工作，但价格却十分昂贵， 因此容量不可能做得很大。
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5.1.1 存储层次结构
3．高速缓冲存储器
高速缓存是现代计算机结构中的一个重要部件， 它是介于寄存器和存储器之间的存储器，主要用 于备份主存中较常用的数据，以减少处理机对主 存储器的访问次数，这样可大幅度地提高程序执 行速度。高速缓存容量远大于寄存器，而比内存 约小两到三个数量级左右，从几十KB到几MB， 访问速度快于主存储器。
计算机操作系统
第5章 内存管理
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目

录

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
概述 地址重定位 分区存储管理 页式存储管理 段式与段页式存储管理 内存扩充技术 虚拟存储管理
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学习目标

了解存储管理的目的与功能，熟悉各种存储器管 理的方式及其实现方法。 了解重定位、虚拟存储器的概念以及其技术。 掌握分区、页式、段式与段页式存储管理的实现 原理和实现方法。 掌握虚拟存储器中的页面置换算法及请求分页系 统性能分析。
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5.1.2 存储管理目的和任务
2．地址映射

内存中往往同时存放多个作业程序，而这些程序在内存中 的位置是不能预先知道的，所以用户在编写程序时不能使 用绝对地址。 计算机的指令中地址部分所指示的地址通常是逻辑地址， 用户按逻辑地址编写程序。当要把程序装入运行时，操作 系统要为其分配一个合适的内存空间，必须把逻辑地址转 换成物理地址才能得到信息的真实存放处。把逻辑地址转 换成物理地址的工作称为地址转换。
作业装入内存时的情况 10000
11000 LOAD 1,12500 LOAD 1,2500
0
1000 2500 365
12500
365
15000
5000 作业地址空间
内存空间
程序的装入
3. 动态运行时的装入方式(Dynamic Run-time Loading) 多道程序环境下，程序在内存的位置可能要经常改 变，如进程的换入换出，每次换入到内存的位置一般是不 同的，这样，就应采用动态运行时的装入方式。 动态运行时的装入程序，把装入模块装入内存后， 并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是 等到程序真正要执行时才进行地址转换(转换时机的把握)。 因此，装入内存后的所有地址仍是相对地址。为使地址转 换不影响指令的执行速度，这种方式需要一定的特殊硬件 的支持。

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5.1.2 存储管理目的和任务
4．内存扩充

为方便用户编写程序，使用户编写程序时不受内存实际容 量的限制，可以采用一定的技术扩充内存容量，得到比实 际容量更大的内存空间。 这里的扩充不是对物理内存容量的扩充，而是指利用存储 管理技术为程序的运行提供一个比实际内存更大的逻辑存 储空间，即所谓的虚拟存储管理技术。 当一个大型的程序要装入内存时，可先把其中的一部分装 入内存，其余部分存放在磁盘上，如果程序执行中需要用 到不在内存中的信息时，则由操作系统采用覆盖技术将其 14 调入内存。

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5.3 分区存储管理
5.3.2 固定分区管理
1. 划分分区的方法 (1) 分区大小相等(指所有的内存分区大小相等)。 (2) 分区大小不等。将内存划分出多个较小的分区，适 量的中等分区和少量的大分区。 2. 内存分配 为了便于内存分配，通常将分区按其大小进行排队，并 为之建立一张分区使用表，其中各表项包括每个分区的起始 地址、大小及状态(是否已分配)，如图5.5所示。
L-1 L
模块A JSR “L” RETURN
N-1
RETURN
图b 程序链接示意图
程序的链接
2. 装入时动态链接(Load-time Dynamic Linking) 这是指将用户源程序编译后所得到的一组目标模块， 在装入内存时，采用边装入边链接的链接方式。即在装入 一个目标模块时，若发生一个外部模块调用事件，将引起 装入程序去找出相应的外部目标模块，并将它装入内存， 还要按照图b所示的方式修改目标模块中的相对地址。装 入时动态链接方式有以下优点： (1) 便于修改和更新。 (2) 便于实现对目标模块的共享。
寄存器 第一层次 高速缓冲存储器 内存 磁盘缓存 第三层次 固定磁盘 可移动磁盘介质 访问速度变快 容量变小 价格变高
第二层次
图 5.1 存储层次结构
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5.1.1 存储层次结构
1．内存
主存储器简称内存或主存，是计算机系统中的主要部 件，用于保存进程运行时的程序和数据，也称可执行存储 器。
2．寄存器
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5.1.2 存储管理目的和任务

操作系统的存储管理机构必须尽可能方便用户 和提高内存的使用效率，使内存在成本、速度 和规模之间获得较好的权衡
1．内存分配 2．地址映射 3．内存共享与保护 4．内存扩充
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5.1.2 存储管理目的和任务
1．内存分配

各个作业装入内存时，必须按照规定的方式向操作系统提 出申请，由存储管理进行统一分配。
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5.1.2 存储管理目的和任务
3．内存共享与保护

所谓内存空间共享，一方面是指采用多道程序设计技术使 若干个程序同时进入内存，各自占用一定数量的存储空间， 即共享内存资源，共同使用一个内存； 另一方面是指若干个作业有共同的程序段或数据段时，可 将这些共同的程序段或数据段存放在某个存储区域内，各 作业执行时都可访问它们，即共享内存的某些区域。 内存共享使得内存中不仅有系统程序，而且还有若干道用 户程序。为了避免内存中的多道程序相互干扰，必须对内 存中的程序和数据进行保护。 12
程序的装入和链接
图a
对用户程序的处理步骤
程序的装入
1. 绝对装入方式(Absolute Loading Mode) 编译时，若知道程序将驻留在内存的某位置，则编译 程序将产生绝对地址的目标代码，绝对装入程序按照装入 模块的地址，将程序和数据直接装入指定内存。该地址既 可在编译和汇编时给出，也可以由程序员直接赋予。程序 员直接给出绝对地址，使得程序修改时很可能要修改所有 地址。因此宁可在程序中采用符号地址，在编译时再去转 换成绝对地址。单道程序环境下，可用此种方式。 而在多道程序环境下，目标模块的起始地址通常从0 开始，程序中的其他地址，都相对于起始地址计算。这样 的模块称为相对装入模块。
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5.1.1 存储层次结构
4．磁盘缓存
由于目前磁盘的I/O速度远低于对主存的访问速度，为 了缓和两者之间在速度上的不匹配，而设置了磁盘缓存， 主要用于暂时存放频繁使用的一部分磁盘数据和信息，以 减少访问磁盘的次数。但磁盘缓存与高速缓存不同，它本 身并不是一种实际存在的存储器，而是利用主存中的部分 存储空间暂时存放从磁盘中读出(或写入)的信息。主存也 可以看作是辅存的高速缓存，因为，辅存中的数据必须复 制到主存方能使用，反之，数据也必须先存在主存中，才 能输出到辅存。