第9讲物理内存管理：连续内存分配报告
MIPS存储管理
MIPS存储管理一.虚拟地址空间地址空间的最大长度与实际可用的物理内存数量无关，因此被称为虚拟地址空间（Virtual Address Space）。
这个虚拟地址空间的大小是由计算机的硬件平台决定的，具体来说是由CPU的位数决定的。
硬件决定了地址空间的最大理论上限，即硬件的寻址空间大小，比如主流的32位处理器（IA32，MIPS，ARM）等能寻址2^32B,即4GB的大小的地址空间（0~0xFFFF FFFF）。
Linux将虚拟地址空间划分为两个部分：内核空间和用户空间。
系统中每个用户进程都有自己的虚拟地址范围，从0到TASK_SIZE。
通常取TASK_SIZE=0xC000 0000，即4GB的底部3GB（0x0000 0000 ~ 0xBFFF FFFF）留给用户空间的进程使用的，顶部1GB（0xC000 0000 ~ 0xFFFF FFFF）留给内核使用。
对于Windows操作系统来说，它的进程虚拟地址空间划分是操作系统占用2GB，用户进程只剩下2GB。
二.MMU那么虚拟内存的底层内存管理机制是怎样的呢？当我们自底向上思考时，关注的主要硬件为TLB（Translation Lookaside Buffer，翻译后备缓冲）。
TLB为虚拟地址(VA)到物理地址(PA) 转换的硬件机构，它是虚拟存储的硬件基础。
当我们自顶向下思考时，该硬件通常称为MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）。
虚拟存储的实现需要依靠硬件的支持，对于不同的CPU来说是不同的。
但是几乎所有的硬件都采用一个叫MMU的部件来进行页映射，如图1-7所示。
在页映射模式下，CPU发出的是Virtual Address，即我们的程序看到的是虚拟地址。
经过MMU转换以后就变成了Physical Address。
具体来说，TLB表中的每个表项有一个页的虚拟地址（VPN代表虚拟页号）和一个物理地址（PFN代表物理帧号）。
wince内存直接读写
2．对物理内存的直接读写在PC环境下，Windows是不允许用户态进程直接访问内存的，任何对内存的访问都会引起程序的异常。
而在嵌入式设备中，需要直接对内存进行读写，以此来提高处理速度，此外，在ARM体系中，I/O被映射到高端的地址进行访问，只有读写物理地址，I/O的驱动才能高效地运行。
Windows CE中有一些API提供了对物理内存的“直接”访问。
不过，在访问之前，必须把物理内存映射到虚拟地址中，通过虚拟地址才能读写物理内存。
PHYSICAL_ADDRESS描述了Windows CE的物理内存结构体，Windows CE在ceddk.h中定义了PHYSICAL_ADDRESS，其定义如下：n 在ceddk.h中typedef LARGE_INTEGER PHYSICAL_ADDRESS, *PPHYSICAL_ADDRESS;n 在winnt.h中typedef union _LARGE_INTEGER{struct{DWORD LowPart;LONG HighPart;};LONGLONG QuadPart;} LARGE_INTEGER;可见，Windows CE中用64位来代表物理地址，对于大多数32位的CPU而言，只需要把它的HighPart设置为0就可以了。
VirtualAlloc()函数是Windows CE中分配连续虚拟地址的API，VirtualCopy()函数将一段物理内存映射到虚拟地址。
因此，在进程中访问物理地址，就像访问虚拟地址一样方便，当然，如何选择虚拟地址是需要研究的。
// 申请虚拟内存LPVOID VirtualAlloc(LPVOID lpAddress, // 希望的虚拟内存起始地址DWORD dwSize, // 以字节为单位的大小DWORD flAllocationType, // 申请类型，分为Reserve和Commit DWORD flProtect // 访问权限);// 把物理内存绑定到虚拟地址空间BOOL VirtualCopy(LPVOID lpvDest, // 虚拟内存的目标地址LPVOID lpvSrc, // 物理内存地址DWORD cbSize, // 要绑定的大小DWORD fdwProtect // 访问权限);VirtualAlloc对虚拟内存的申请分为两步，保留MEM_RESERVE和提交MEM_COMMIT。
动态分区分配以及动态重定位分配四种方式
0
0
图4-6 空闲链结构
分区分配算法 1)首次适应算法(first fit) FF算法要求空闲分区链以地址递增的次序链接。在分 配内存时，从链首开始顺序查找，直至找到一个大小能 满足要求的空闲分区为止；然后再按照作业的大小，从 该分区中划出一块内存空间分配给请求者，余下的空闲 分区仍留在空闲链中。若从链首直至链尾都不能找到一 个能满足要求的分区，则此次内存分配失败，返回。该 算法倾向于优先利用内存中低址部分的空闲分区，从而 保留了高址部分的大空闲区。这给为以后到达的大作业 分配大的内存空间创造了条件。其缺点是低址部分不断 被划分，会留下许多难以利用的、很小的空闲分区，而 每次查找又都是从低址部分开始，这无疑会增加查找可 用空闲分区时的开销。
5)快速适应算法(quick fit) 该算法又称为分类搜索法，是将空闲分区根据其容量 大小进行分类，对于每一类具有相同容量的所有空闲分 区，单独设立一个空闲分区链表，这样，系统中存在多 个空闲分区链表，同时在内存中设立一张管理索引表， 该表的每一个表项对应了一种空闲分区类型，并记录了 该类型空闲分区链表表头的指针。空闲分区的分类是根 据进程常用的空间大小进行划分，如2 KB、4 KB、8 KB 等，对于其它大小的分区，如7 KB这样的空闲区，既可 以放在8 KB的链表中，也可以放在一个特殊的空闲区链 表中。
分区分配操作 1)分配内存 系统应利用某种分配算法，从空闲分区链(表)中找到 所需大小的分区。设请求的分区大小为u.size，表中每 个空闲分区的大小可表示为m.size。若m.sizeu.size≤size(size是事先规定的不再切割的剩余分区的 大小)，说明多余部分太小，可不再切割，将整个分区分 配给请求者；否则(即多余部分超过size)，从该分区中 按请求的大小划分出一块内存空间分配出去，余下的部 分仍留在空闲分区链(表)中。然后，将分配区的首址返 回给调用者。
MOCOR平台内存管理介绍及案例分析
2019/1/29
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MOCOR内存管理的基本架构
MOCOR内存管理体系的一个大致的调用层次如下图所示：
MMI APP
接口
BLOCK MEM
多个不同size的块池
static
base
app
块池
字节池
物理内存
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MOCOR内存管理的基本架构
• 从可用的内存资源的角度，还可以得到下面的一个内存分配图。
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ThreadX的内存管理---内存字节池
• 注意：
首先要注意的问题是碎片，一个字节池可能有2000字节的可用空间， 但不保证一定能分配到2000字节的连续空间，内存池对连续字节的 数量不做保证。 分配一块内存所需要的时间跟分配内存的大小，字节池中的碎片数 等因素有关，如果字节池有2000字节的空闲块，花多长时间找到这 块内存也是没有保证的。因此，在时间要求苛刻的任务中应避免使 用字节池。 字节池不能在中断函数里使用，也不能在timer回调函数里使用。
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MOCOR平台内存管理介绍
MOCOR内存管理的基本架构 ThreadX的内存管理 MOCOR的内存管理 MOCOR内存bug实例分析
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ThreadX的内存管理
内存字节池（BTYE POOL）
内存块池（BLOCK POOL）
#define POOL_1_BLOCK_SIZE 16 //pool's block size #define POOL_1_BLOCK_NUM 480 //pool's block number #define POOL_2_BLOCK_SIZE 24 //pool's block size #define POOL_2_BLOCK_NUM 320 //pool's block number #define POOL_3_BLOCK_SIZE 40 //pool's block size #define POOL_3_BLOCK_NUM 650 //pool's block number #define POOL_4_BLOCK_SIZE 60 //pool's block size #define POOL_4_BLOCK_NUM 500 //pool's block number #define POOL_5_BLOCK_SIZE 112 //pool's block size #define POOL_5_BLOCK_NUM 80 //pool's block number #define POOL_6_BLOCK_SIZE 180 //pool's block size #define POOL_6_BLOCK_NUM 280 //pool's block number #define POOL_7_BLOCK_SIZE 300 //pool's block size #define POOL_7_BLOCK_NUM 80 //pool's block number #define POOL_8_BLOCK_SIZE 600 //pool's block size #define POOL_8_BLOCK_NUM 120 //pool's block number #define POOL_9_BLOCK_SIZE 800 //pool's block size #define POOL_9_BLOCK_NUM 100 //pool's block number #define POOL_A_BLOCK_SIZE 1100 //pool's block size #define POOL_A_BLOCK_NUM 98 //pool's block number #define POOL_B_BLOCK_SIZE 1300 //pool's block size #define POOL_B_BLOCK_NUM 10 //pool's block number #define POOL_C_BLOCK_SIZE 1600 //pool's block size #define POOL_C_BLOCK_NUM 12 //pool's block number (以上的定义不同版本的MOCOR可能并不一致，经常会有调整)
操作系统原理第5章 存储管理
• ⑶最佳适应算法
• 最佳适应算法的空闲链是按空闲区从小到大顺序排 列。为进程选择分区时总是寻找其大小最接近进程 所要求的存储区域。所谓“最佳”是指每次为进程 分配内存时，总是把能满足要求、又是最小的空闲 分区分配给进程，避免“大材小用”。
• 因为每次分配后所切割下来的剩余部分总是最小的， 这样将加速碎片的形成。
• ①如果被回收空闲分区没有空闲伙伴分区，那么保留该分区为一 个独立的空闲分区，否则执行②；
• ②合并回收分区及其伙伴分区，从而得到一个尺寸（2I+1）更大的 回收空闲分区，转移到①；
一个伙伴系统内存分配与回收的例子
• 伙伴系统克服了固定分区和动态分区存储管理技术的缺陷。但是伙伴 系统存在一个问题，即内存空间需要不断地进行分裂和合并，频繁的 伙伴分区合并操作会浪费很多时间。
• ③内存分配原则，以页帧为单位来分配内存，将进程若干个逻辑上连续的 页面装入若干个离散的页帧中，由页表提供进程的页号到存储空间帧号的 映射。
5.2.4伙伴系统
• 其实现原理如下： • 一个伙伴系统内存的用户可用空间为2U。进程申请存储空间时，
系统总是为其分配大小为2I的一个空闲分区。其中S≤I≤U，2S是系 统允许的最小分区尺寸。在实际操作系统中，最小分区尺寸一般 为212。 • 如果进程申请的存储空间大小为K，且2I-1<K≤2I，则将整个2I大小的 分区分配给该进程；否则，该分区被分割成两个大小相等的伙伴 分区，大小为2I-1；再判断K是否满足条件：2I-2<K≤2I-1，若满足条件， 则将两个伙伴中的任何一个分配给该进程。否则，将其中一个伙 伴又分成两个大小相等的伙伴分区；此过程一直继续进行，直到 产生的分区满足条件I-J≥S并2I-J-1<K≤2I-J，将2I-J大小的分区分配给该 进程；当I-J-1<S时，系统不再分割成两个大小相等的伙伴分区，将 2S大小的分区分配给该进程。 • 当进程执行完毕，释放一个尺寸为2I的分区时，系统用下面的算法 回收该分区。
操作系统存储管理习题(共38张PPT)
对于逻辑地址5012
段号 段长（ 主存起 状态
后一件事情是由前一件事情决定的。
容量） 用哪种算法能将该作业序列装入内存？(零头，因存储空间与作业均分为等长单元，所以不存在无法分配的单元，但作业长度并不刚好为页面大小的整
数倍，因此在最后一页会有剩余空间，即为内零头。
1、某系统采用动态分区存储管理技术，某时刻内存中有三 个空闲区，它们的首地址和大小分别为：
空闲区1 (100KB,10KB) 空闲区2(200KB,30KB) 空闲区3 (300KB,15KB) (1)画出该时刻内存分配图；
(2)用首次适应法和最佳适应法画出此时的空闲分区链； (3)有如下作业序列：
11、在分页存储管理系统中，存取一次内存的时间是 8us，查询一次快表的时间是1us，缺页中断的时间是 20us。
假设页表的查询与快表的查询同时进行，当查询页表 时，如果该页在内存但快表中没有页表项，系统将自 动把该页页表项送入快表。
一个作业最多可保留3个页面在内存。
现开始执行一作业，系统连续对作业的２、４、5、２、7、 6、4、2各页面的数据进行1次存取，如分别采用FIFO算法 和最优页面置换算法，求每种算法下存取这些数据需要的总 时间 ？
EAT=1us×80% +2us×（100-80-10）%
+(1us+5000us+1us+1us)×10%
=0.8us+0.2us+500.3us
=501.3us
10、一个使用快表的页式虚存，（1） 快表的命中率为70％，内存的存取周期 为1us；（2）缺页时，若内存有可用空
间或被置换的页面在内存未被修改过， 则处理一个缺页需8ms，否则需20ms， 假定被置换的页面60％是属于后一种情 况。
计算机操作系统第四章-存储器管理
第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。
但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等多方面，同时满足用户的需求。
实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。
2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：少量的、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：若干(千)兆字节、中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：存在于主存中；•磁盘：数千兆或数万兆字节、低速、价廉、不需要电源维持、CPU 不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。
二、存储管理的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在成本、速度和规模之间获得较好的权衡。
(注意cpu和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。
●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。
这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。
2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存单元(字节)的地址。
●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。
四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；地址映射分静态和动态两种方式。
1、静态地址重定位是程序装入时集中一次进行的地址变换计算。
物理地址= 重定位的首地址+ 逻辑地址•优点：简单，不需要硬件支持；•缺点：一个作业必须占据连续的存储空间；装入内存的作业一般不再移动；不能实现虚拟存储。
第4章4-5节基本分页、分段存储管理方式
页号
计算公式：物理地址 块号 页面大小+块内地址 块号*页面大小 计算公式：物理地址=块号 页面大小 块内地址
0 1
块 号 2 4 6 7
逻辑地址3500：
页号：3500/1024=3 对应物理块号：7 页内地址：428
2 3
故物理地址为: 7*1024+428=7596
逻辑地址4500：
页号：4500/1024=4
第四章 存 储 器 管 理
问题：
在分页系统中，内存的利用率是不是就 可以达到100%了？ 由于进程的最后一页经常装不满一块 而形成了不可利用的碎片，称之为“页内 页内 碎片”。 碎片
第四章 存 储 器 管 理
2) 页面大小 在分页系统中的页面其大小应适中： 页面 太小 太大 页面数 分配时间 多 少 长 短 内存碎片 减小 变大 内存利 用率 高 低
n
1742 外部页表
1023 0 1 2 第n页页表 1468
图 4-4 两级页表结构 1023
… … … 内存空间
114 1151468第四章 存 Nhomakorabea 器 管 理
（2）地址变换机构
外部页号 P1 外部页内地址 页内地址 P2 d
逻辑地址
外部页表寄存器
＋
… 外部页表
＋
… 页表
b d 物理地址
图 4-5 具有两级页表的地址变换机构
第四章 存 储 器 管 理
4.4.2 地址变换机构
假设页面大小为1K 假设页面大小为
1. 基本的地址变换机构
越界中断 逻辑地址 3100 页表寄存器
页表始址 页表长度
≥
页号 3
页内地址 28
块号 页号 0 1 2 3 … 页表 物理地址 9244 1 3 4 9
操作系统试题及答案
计科专业计算机操作系统资料一、选择题（选择最确切的一个答案，将其代码填入括号中，每空2分，共20分）1．某进程在运行过程中需要等待从磁盘上读人数据，此时该进程的状态是（ C ）。
A. 从就绪变为运行B. 从运行变为就绪C. 从运行变为阻塞D. 从阻塞变为就绪2．可重定位内存分区分配目的为（ A ）。
A.解决碎片问题B.便于多作业共享内存C.回收空白区方便D. 摆脱用户干预3．原语是（ B ）。
A.一条机器指令B. 若干条机器指令组成C.一条特定指令D. 中途能打断的指令4. 设备I/O方式有如下三种：（ B ）、（ D ）和（ E ）。
A.假脱机B. 询问C.联机D. 中断E.通道F. 脱机5．文件目录的主要作用是（ A ）。
A. 按名存取B. 提高速度C. 节省空间D. 提高外存利用率6．单机操作系统的共享资源是指（ A ）。
A. 内存、CPU、打印机B. 内存C. CPUD. 打印机7．操作系统负责为方便用户管理计算机系统的（ C ）。
A. 程序B. 文档资料C.资源D. 进程8．没有下列设备计算机无法工作（ C ）。
A. 软盘B. 硬盘C. 内存D. 打印机二、是非题（正确的划√，错误的划×，20分）（√）1．进程的互斥和同步的相互制约一般不会同时发生。
（√）2．多用户操作系统在单一硬件终端硬件支持下仍然可以工作。
（√）3，作业同步面向用户，而进程同步面向计算机内部资源管理控制。
（×）4．实时操作系统的响应系数最小，设备利用率最低。
（√）5．UNIX或Linux操作系统的最大特点是分时、多用户、多任务和倒树型文件结构。
（√） 6．常用的缓冲技术是解决慢速设备与快速CPU处理之间协调工作。
（√）7．死锁是指两个或多个进程都处于互等状态而无法继续工作。
（√）8. 多用户操作系统一定是具有多道功能的操作系统。
（√）9．一般的分时操作系统无法做实时控制用。
（√）10．一个物理硬盘可以分成多个逻辑硬盘分区进行面向用户文件系统的管理。
操作系统 课程大纲
操作系统课程大纲操作系统课程大纲一、课程概述- 目标：本课程旨在介绍操作系统的基本概念、原理和设计方法，让学生掌握操作系统的基本知识和应用技巧，并培养学生的问题分析与解决能力。
- 适用对象：计算机科学与技术、软件工程等相关专业的本科生、研究生。
二、课程内容1. 操作系统概述- 定义：操作系统的基本概念、功能与分类。
- 发展历程：操作系统的演化过程与发展趋势。
- 操作系统的作用：为用户提供抽象的计算机接口，管理计算机系统的资源，实现用户与硬件的交互。
2. 进程管理- 进程概念：进程的定义、状态转换与调度。
- 进程同步与通信：进程间的互斥、同步与通信机制。
- 进程调度算法：常用的进程调度算法及其特点。
3. 内存管理- 内存分配策略：连续分配、非连续分配。
- 地址转换：逻辑地址到物理地址的转换过程。
- 虚拟内存：虚拟内存的概念、页面置换算法。
4. 文件系统- 文件系统的概念与组织结构。
- 文件存储与检索：文件的存储结构、文件的读写操作。
- 文件系统的管理：文件的命名与保护。
5. 输入输出管理- 设备管理：设备的分类与控制方法。
- 缓冲管理：缓冲区的作用与管理策略。
- 文件管理：磁盘调度算法与磁盘空间管理。
三、教学方法与评估方式- 教学方法：理论授课、案例分析、实践操作、编程实验。
- 评估方式：平时成绩、期中考试、期末考试、实验报告。
四、教材与参考资料- 主教材：《操作系统概念》（第九版），作者：Abraham Silberschatz、Peter B. Galvin、Greg Gagne。
- 辅助教材：《现代操作系统》（第四版），作者：Andrew S. Tanenbaum、Herbert Bos。
- 参考资料：操作系统相关学术论文、技术博客等。
五、实践项目- 设计与实现一个简单的多道程序调度模拟器。
- 实现一个基于文件系统的简单命令行界面操作程序。
- 分析与改进一个现有操作系统的某一功能模块。
六、参考课程进度安排（具体安排以教师为准）- 第1-2周：操作系统概述- 第3-4周：进程管理- 第5-6周：内存管理- 第7-8周：文件系统- 第9-10周：输入输出管理- 第11-13周：复习与实践项目七、教学团队- 主讲教师：XXX（教授）- 助教：X、X、X注意：本大纲仅为课程内容的参考安排，具体教学进度与内容可能根据教师实际情况进行调整。