操作系统原理方敏存储管理
操作系统原理_方敏_存储管理
OS 作业1(8K) 作业4(24K)
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四、页式存储管理
提出原因
分区存储管理方案 要求作业存储时必须连续存放 Job5 OS Job1 Job2 页式存储管理方案 解决作业不连续存放的问题 Job4
Job3
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四、页式存储管理
基本原理
逻辑地址空间 0 实页/ 主页 物理地址空间
OS
0
Q:如何记录和管 理这种映射关系？
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Байду номын сангаас
二、地址重定位
动态再定位：程序在装入内存时，不修改程序的逻辑 地址值，程序在访问物理内存之前，再实时地将逻辑 地址转换成物理地址。
BR:基址寄存器，存放程序的起始地址
逻辑地址空间
0 BR
物理地址空间
0
1000 …… ……
VR
100
1100
LOAD A 200 ……
200
200
LOAD A 200 …… 3456 ……
一、概述
存储管理的任务
在现代操作系统中，存储管理的主要任务有以下几个方
面： 地址变换(地址再定位) 存储资源的分配和回收 存储共享和保护 存储器扩充 ① 覆盖技术 ② 交换技术
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二、地址重定位
基本概念
定义：当程序被装入内存时，程序的逻辑地址 被转换成内存的物理地址，这一过程称为地址 重定位(由内存管理单元(MMU)完成)。
0 100K
1K
2K
0 1 2 3
虚页：大小相同， 常为2的整数幂。
2 1 2 0 3 4 3 5 1 6 7 8
101K
102K 103K 104K 105K 106K
操作系统原理_方敏_进程管理
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三、进程的定义与控制
原语（primitive）
由若干条机器指令构成的可完成特定功能的程序段，它
是一个 “原子操作(atomic operation)”过程，作为一 个整体而不可分割－－要么全都完成，要么全都不做 （类似数据库中的“事务”）。原语主要是通过屏蔽各 种中断和固化技术保证其原子性的。 分类 1、进程创建原语 进程控制原语 2、进程撤销原语 进程通信原语 3、进程阻塞原语 进程管理原语 4、进程唤醒原语 其他方面的原语 5、进程挂起原语 6、进程激活原语
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一、进程的定义
曾经的定义
进程是程序的一次执行； 进程是可以和别的计算并发执行的计算； 进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进
行资源分配和调度的一个独立单位。 ……
教材中的定义
进程是程序的一次执行，该进程可与其它进程并发执行；
它是一个动态的实体，在传统的操作系统设计中，进程 既是资源的基本分配单元，也是基本的执行单元。
完成等待
PCB
PCB
PCB
PCB
等待队列1
完成等待
PCB
PCB
PCB
PCB
等待队列n
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三、进程的定义与控制
进程控制
进程控制的主要任务是：创建和撤销进程以及进行进程
间的状态转换。这包括： 创建一个进程 撤销一个进程 改变进程状态 实现进程间的通信 这些由操作系统内核通过执行各种原语完成。
临界资源
… a = n //n表示剩余的票数 if (a>=1) { a = a-1; //售出一张票 n = a; } ……
服务器 售票员B … a = n //n表示剩余的票数 if (a>=1) { a = a-1; //售出一张票 n = a; } ……
操作系统之存储管理
一个编译好的程序存在于它自己的逻辑地址空间中，运行时，要把它装入内存空间，图 3.2 显示了一个作业在编译前、编译后及装入内存后不同的地址空间。
1000b 1100b
Mov R1,[1200]
1000b 1100b
Mov R1,[200]
1200b
6817
1200b
6817
1299b
1299b
重定位寄存器
逻辑地址 200b
1000b
1200b 内存地址
（a） 采用静态重定位后的内存空间 （b） 采用动态重定位时内存空间及地址重定位示意图
图 3.3 静态地址重定位和动态地址重定位示意图
静态地址重定位的优点是通过重定位装入程序，实现逻辑地址到物理地址的转化，不需 要硬件的支持，可在任何机器上实现。早期的操作系统中大多数采用这种方法。缺点是程序 必须占用连续的内存空间，且一旦装入内存后，因为逻辑地址已被改变，就不便再移动，不 利于内存空间的利用。所以静态地址重定位只适用于静态的内存分配方式。
⑵ 动态地址重定位 动态地址重定位是在程序执行期间进行的。一般说来，这种转换由专门的硬件机构来完 成，通常采用一个重定位寄存器，在每次进行存储访问时，对取出的逻辑地址加上重定位寄 存器的内容，形成正确的物理地址，重定位寄存器的内容是程序装入内存的起始地址，如图 3.3（b）所示。 动态地址重定位的优点是不要求程序装入固定的内存空间，在内存中允许程序再次移动 位置，而且可以部分地装入程序运行，也便于多个作业共享同一程序的副本，因此，现代计 算机系统广泛采用动态地址重定位技术。动态地址重定位技术缺点是需要硬件支持，而且实
操作系统原理_方敏_设备管理
三、I/O软件的组成
存储设备的块分配：查找一个存储设备的空闲块并进 行分配。 独占设备的分配和释放 出错处理：一般来说I/O错误有两种 ① 操作故障：由驱动程序处理。 ② 非操作故障：如磁盘受损而不能再读，由与设备 无关的系统软件处理，并向上层返回出错信息。
用户空间的I/O软件
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三、I/O软件的组成
设备管理软件的组成部分
I/O交通管制程序：负责各I/O设备之间的协调工作； I/O调度程序：负责设备的分配和调度； I/O设备处理程序：负责每类设备的具体操作。
I/O软件的设计目标
设备独立性(device independence) 通过某种技术使得软件和硬件彼此相对比较独立。这
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三、I/O软件的组成
与设备无关的系统软件
是建立在设备驱动程序之上的，与具体设备无关的I/O功
能的集合(例如所有设备都需要的I/O功能)。 功能： 统一命名：将设备的符号名映射到相应的设备驱动程 序上，对外提供同一的命名方式。 设备保护：对设备进行必要的保护，防止无授权的应 用或用户的非法使用。 提供与设备无关的逻辑块：屏蔽底层各种I/O设备空 间大小、处理速度和传输速率的差异，只向上层提供 大小统一的逻辑块尺寸。 缓冲管理
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三、I/O软件的组成
设备驱动程序的结构 由于驱动程序和硬件的结构有着密切的联系，因此不
同的硬件其启动程序的结构以也不同。 但是对于略有差异的同一类设备，为了方面使用，系 统往往会提供一个通用的设备驱动程序。当然为了追 求更好的性能，用户可以使用厂家提供的专门为该设 备编写的设备驱动程序。
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四、具有通道的设备管理
通道的工作原理
操作系统-存储管理
操作系统-存储管理操作系统-存储管理一、引言存储管理是操作系统中重要的组成部分，它负责管理计算机系统中的存储器资源。
存储管理的任务包括内存分配、内存保护、内存回收等，通过有效的存储管理可以充分利用系统的存储资源，提高系统的运行效率和性能。
二、内存层次结构1、主存储器主存储器是计算机系统中最主要的存储器，它用于存放正在运行的程序和数据，是CPU直接访问的存储器。
主存储器一般被划分为若干个固定大小的块，每个块被称为一页，每一页可以存放一个进程的一部分或全部。
2、辅助存储器辅助存储器是主存储器的扩展，主要用于存储大容量的数据和程序。
辅助存储器包括硬盘、磁带等设备，其访问速度比主存储器慢，但容量较大。
三、内存管理1、内存分配方式a：静态分配静态分配是指在程序运行之前，就确定了程序在内存中的位置。
静态分配的优点是简单高效，但是会浪费存储资源。
b：动态分配动态分配是指程序在运行时，根据需要动态分配内存。
动态分配的优点是灵活高效，但是需要额外的内存管理开销。
2、内存管理算法a：首次适应算法首次适应算法是按照内存块的起始地质逐一查找，找到第一个大小大于等于要求的空闲的内存块进行分配。
b：最佳适应算法最佳适应算法是在所有满足要求的内存块中选择大小最小的内存块进行分配。
c：最差适应算法最差适应算法是在所有满足要求的内存块中选择大小最大的内存块进行分配。
3、内存保护内存保护是指通过访问权限控制，确保每个进程只能访问自己分配的内存空间，防止进程之间的干扰。
4、内存回收内存回收是指当进程不再使用某些内存空间时，将其释放给系统以便后续的内存分配。
内存回收可以通过标记清除算法、引用计数算法等方式实现。
四、虚拟内存管理1、虚拟内存机制虚拟内存是一种扩展的内存管理技术，它通过将部分程序或数据装入主存储器，并实现从辅助存储器到主存储器的动态迁移，提高了计算机系统的运行性能。
2、页面置换算法页面置换算法是指当主存储器已满时，需要置换出某些页面到辅助存储器中，以便为新的页面腾出空间。
操作系统原理虚拟存储管理技术讲义
1、请求分页式存储管理的基本概念 1）基本原理
运行前将一部分页面装入内存，另外一部分页 面则装入外存。在程序运行过程中，如果所访 问的页面不再内存中，则发生缺页中断，操作 系统进行页面动态调度：
a） 找到被访问页面在外存中的地址。 b） 在内存中找一个空闲块，如果没有，则按 照淘汰算法选择一个内存块，将此块内容写回 外存，修改页表。
2）堆栈法
按照页面最后一次访问的时间次序依次排列到堆 栈中。进程访问某一页时，其对应的页面号由 栈内取出压入栈顶，因此，栈顶始终是最新被 访问页面的页面号，栈底则是最近最久没有使 用的页面号。
操作系统原理虚拟存储管理技术
4）最近未使用置换算法（NRU） 近似于LRU算法，不但希望淘汰最近未使
用的页面，还希望被挑选的页面在内存 驻留期间，其页面内容没有给修改过， 因此增加两个硬件位：访问位和修改位。 0和1，0表示未访问或未修改。
操作系统原理虚拟存储管理技术
由访问位A和修改位M可以组合成下面四种类 型的页面：
1类(A=0, M=0): 表示该页最近既未被访问， 又未被修改， 是最佳淘汰页。
2类(A=0, M=1)： 表示该页最近未被访问， 但已被修改， 并不是很好的淘汰页。
3类(A=1, M=0)： 最近已被访问， 但未被 修改， 该页有可能再被访问。
操作系统原理虚拟存储管理技术
• Belady现象：采用FIFO算法时，如果对一个 进程未分配它所要求的全部页面，有时就会出 现分配的页面数增多，缺页率反而提高的异常 现象。
• Belady现象的描述：一个进程P要访问M个页， OS分配N个内存页面给进程P；对一个访问序 列S，发生缺页次数为PE（S,N）。当N增大时， PE(S, N)时而增大，时而减小。 • Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与 进程访问内存的动态特征是矛盾的，即被置换 的页面并不是进程不会访问的。
操作系统的存储管理
操作系统的存储管理操作系统是计算机的核心软件之一，负责管理计算机系统中的各种资源，其中包括存储管理。
存储管理是操作系统中非常重要的部分，它负责管理计算机系统的内存资源，保证程序能够正常运行，并且合理分配内存资源，提高系统的利用率和性能。
一、存储管理的背景计算机内存是指计算机用来存放程序和数据的地方，是程序运行和数据操作的基础。
然而，计算机内存资源是有限的，如何合理地利用和管理这些资源成为操作系统设计者需要解决的一个问题。
过去，计算机内存管理主要依靠人工分配和管理，但随着计算机技术的发展和应用程序的复杂性增加，传统的内存管理方式已经不能满足要求，因此需要引入操作系统的存储管理功能。
二、存储管理的基本功能1.内存分配与回收：存储管理负责根据程序的需求，分配合适数量的内存给程序使用，并在程序运行结束后将内存回收，以便再次分配给其他程序使用。
2.内存保护：为了保证程序的正常运行和系统的安全稳定，存储管理需要对内存进行保护，防止程序对其他程序或操作系统的内存空间进行非法操作。
3.内存扩充与收缩：由于程序的需求可能会随着时间的推移而增加或减少，存储管理需要根据需要动态地扩充或收缩内存空间。
4.内存共享：在多道程序设计环境下，为了提高系统的利用率，多个程序可能需要共享一部分内存空间，存储管理需要提供相应的机制来实现内存共享。
5.虚拟内存：由于内存资源有限，存储管理需要引入虚拟内存技术，将部分程序和数据存放在磁盘上，以扩展可用内存的容量，并提高程序的运行效率。
三、存储管理的实现原理1.程序的装入与链接：在程序执行前，需要将程序从磁盘装入内存并进行链接，以便程序能够正常运行。
存储管理需要负责控制这个过程，保证程序的正确装入和链接。
2.内存的分区管理：为了提高内存的利用率，存储管理将内存划分为若干个区域，每个区域可以分配给一个程序使用。
这样，在运行多个程序时，存储管理可以将它们分配到合适的区域，避免内存碎片的产生。
计算机操作系统原理3
„„
程序P第一条指令
内 存 空 间 5600
„„
Mov ax,(200)
„„
Mov ax,(200)
5600
基址寄存器 200
+
5800
„„
88 程序地址200
„„
88 5800
CUP
3.1.3 静态重定位和动态重定位
动态重定位 在程序执行过程中由硬件地址变换机构完成 从逻辑地址到物理地址的转换。
3.1.5 内存扩充技术
2、交换技术 优点：增加并发运行的程序数目，并且给用 户提供适当的响应时间；编写程序时不影响程序 结构 。 缺点：换入换出花费时间代价较大，较难选 择换出对象。
3.1.5 内存扩充技术
3、虚拟内存技术 利用软硬件技术，把外存当做内存的扩充， 为用户提供一个比实际内存空间大得多的虚拟存 储空间，而用户不必关心内外存地址转换的细节。
第4分区 132K
3.2.1 固定分区存储管理
1、主存空间的分配与释放
首先，有进程P1要求运行，需内存空间 16K，应将它调入哪个分区？
OS占用空间 第1分区 8K
分区说明表
区 号 1 2 3 4 起始地址 20K 28K 60K 124K 长度 8K 32K 64K 132K 占用标 志 0 P1 修改标志 0 0 0
起始地址应改 为从70K开始
系统有236K， 还够用，将其 修改成186K
256K
3.2.2 可变分区存储管理
2）进程P2运行，申请内存空间40K；
内存空间
OS占用空间
可用分区表
20K
区号 1
起始地址 70K 110K
长度
146K 186K
70K
操作系统的存储管理管理和优化存储资源的分配和访问
操作系统的存储管理管理和优化存储资源的分配和访问操作系统的存储管理：管理和优化存储资源的分配和访问操作系统是计算机硬件和应用程序之间的关键软件层，其中一个重要的功能是管理存储资源的分配和访问。
通过合理的存储管理，操作系统可以优化系统性能，提高应用程序的执行效率。
本文将介绍操作系统中的存储管理技术，并讨论如何优化存储资源的分配和访问。
一、存储管理的基本概念1. 内存层次结构计算机的内存层次结构包括寄存器、缓存、主存和辅助存储器。
这些层次按照存取速度和容量的不同划分，寄存器是最快但容量最小的存储，而辅助存储器则是容量最大但速度最慢的存储。
2. 存储管理单元存储管理单元是操作系统中负责存储资源管理的模块。
它负责将进程需要的数据和指令加载到内存中，并管理内存中的数据结构，如页表和地址转换缓冲器。
二、存储管理的技术1. 内存分配方式内存分配方式有连续分配和离散分配两种。
连续分配是将内存空间划分为等大小的分区，每个分区只能分配给一个进程使用。
而离散分配则是将内存分为多个不同大小的分区，每个分区可以分配给多个进程使用。
2. 虚拟内存管理虚拟内存技术是操作系统中的一项重要技术，它将存储空间扩展到辅助存储器，允许进程使用更多的地址空间。
虚拟内存技术通过将进程的部分数据和指令加载到内存中，而将其余部分保存在磁盘上。
当进程需要访问磁盘上的数据时，操作系统会自动将其加载到内存中。
3. 页面置换算法当内存不足时，操作系统需要选择某些页面置换出去，以便为新的页面腾出空间。
常见的页面置换算法有最佳(Optimal)、先进先出(FIFO)、最近最少使用(LRU)和时钟(Clock)算法等。
三、优化存储资源的分配和访问1. 内存分配的策略为了优化存储资源的分配，操作系统可以采取不同的策略。
一种常见的策略是动态分区分配，根据进程的需要动态划分内存空间。
另一种策略是使用内存池，将内存分为多个固定大小的块，提供给进程使用。
2. 页面调度算法的选择选择合适的页面调度算法可以提高内存访问效率。
操作系统原理_方敏_进程管理
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二、为什么要引入进程的概念？ 为什么要引入进程的概念？
顺序执行程序
指的是在有多个程序需要执行的情况下，处理器严格按 指的是在有多个程序需要执行的情况下， 照某一顺序按序执行，每次只执行一个程序。 照某一顺序按序执行，每次只执行一个程序。其实质是 单道程序系统。 单道程序系统。 特点 顺序性 资源独占性 可再现性 不足 效率低下
“进程” 进程” 进程 MIT：60年代初，MULTICS系统中提出； 年代初， 系统中提出； ： 年代初 系统中提出 IBM：CTSS/360系统，称为“任务”(task)。 系统， ： 系统 称为“任务” 。
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三、进程的定义与控制
进程与程序的区别和联系
（1）程序是静态的，进程是动态的。程序是有 ）程序是静态的，进程是动态的。 序代码的集合；进程是程序的一次执行。 序代码的集合；进程是程序的一次执行。 （2）进程是暂时的，程序的永久的。进程是一 ）进程是暂时的，程序的永久的。 个变化的过程，有生命周期，暂时存在， 个变化的过程，有生命周期，暂时存在，程序 没有生命周期，可长久保存。 没有生命周期，可长久保存。 内存 （3）进程还是操作系统资源分配和保护的基本 ） 单位，程序没有此功能。 单位，程序没有此功能。 （4）进程与程序的对应关系。通过多次执行， ）进程与程序的对应关系。通过多次执行， 一个程序可对应多个进程；通过调用关系， 一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一 个进程可包括多个程序。 个进程可包括多个程序。 （5）进程与程序的结构不同。 ）进程与程序的结构不同。
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二、为什么要引入进程的概念？ 为什么要引入进程的概念？
多道程序设计
同一时刻内存中存放了多个作业，处理器交替运行不同 同一时刻内存中存放了多个作业， 的作业。提高了系统的效率，尤其是资源利用率。 的作业。提高了系统的效率，尤其是资源利用率。 特点 多道 资源 宏观上并行 程序A 程序 程序B CPU 程序 微观上串行 问题 I/O 系统管理复杂化 time