操作系統(tǒng)原理課件-(4)[116頁(yè)]

1、 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，用于存儲(chǔ)包括程序和數(shù)據(jù)在內(nèi)的各種信息，屬于非常重要的系統(tǒng)資源。能否對(duì)它進(jìn)行有效管理，不僅直接影響到存儲(chǔ)器的利用率，而且對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能都有重要的影響。 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器分為兩類(lèi)：一類(lèi)是內(nèi)部存儲(chǔ)器（內(nèi)存），是CPU能夠直接訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器；另一類(lèi)是外部存儲(chǔ)器（外存），是CPU不能直接訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器。內(nèi)部存儲(chǔ)器又稱(chēng)主存儲(chǔ)器，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要資源之一。 存儲(chǔ)管理指的是管理內(nèi)部存儲(chǔ)器，它是操作系統(tǒng)的重要組成部分。第4章 存儲(chǔ)管理 本章的主要內(nèi)容：（1）地址重定位的引入、概念及方法。（2）對(duì)內(nèi)存進(jìn)行連續(xù)分配存儲(chǔ)管理的方法，包括單一連續(xù)分配方式和分區(qū)分配方式。（3）為了有效

2、利用內(nèi)存而采用的緊湊和交換技術(shù)。（4）對(duì)內(nèi)存進(jìn)行離散分配存儲(chǔ)管理的方法，包括分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式、分段存儲(chǔ)管理方式和段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式。（5）虛擬存儲(chǔ)器的概念及請(qǐng)求分頁(yè)存儲(chǔ)管理、請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理和請(qǐng)求段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的實(shí)現(xiàn)。第4章 存儲(chǔ)管理第4章 存儲(chǔ)管理4.1 程序的鏈接和裝入4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能4.3 分區(qū)式存儲(chǔ)管理4.4 分頁(yè)存儲(chǔ)管理4.5 分段存儲(chǔ)管理4.6 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理4.7 虛擬存儲(chǔ)管理 源程序轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓤?zhí)行程序：首先由編譯程序把源程序編譯成若干個(gè)目標(biāo)模塊，然后由鏈接程序把所有目標(biāo)模塊和它們需要的庫(kù)函數(shù)鏈接在一起，形成一個(gè)完整的可裝入模塊?？裳b入模塊可以通過(guò)裝入程序裝入內(nèi)存

3、成為可執(zhí)行程序，當(dāng)把CPU分配給它時(shí)就可以投入運(yùn)行。4.1 程序的鏈接和裝入4.1.1 邏輯地址和物理地址（1）邏輯地址。用戶(hù)源程序經(jīng)編譯、鏈接后得到可裝入程序。由于無(wú)法預(yù)先知道程序裝入內(nèi)存的具體位置，只能暫定程序的起始地址為0，即程序中指令和數(shù)據(jù)的地址都是相對(duì)0這個(gè)起始地址進(jìn)行計(jì)算的，用這種方法確定的地址稱(chēng)為邏輯地址或相對(duì)地址。（2）邏輯地址空間。一個(gè)目標(biāo)模塊（程序）或裝入模塊（程序）的所有邏輯地址的集合，稱(chēng)為邏輯地址空間或相對(duì)地址空間。4.1 程序的鏈接和裝入（3）物理地址。內(nèi)存中實(shí)際存儲(chǔ)單元的地址稱(chēng)為物理地址，也稱(chēng)為絕對(duì)地址或內(nèi)存地址。 為了使程序裝入內(nèi)存后能夠正常運(yùn)行，就必須將程序代碼

4、中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，這個(gè)轉(zhuǎn)換操作稱(chēng)為地址轉(zhuǎn)換。（4）物理地址空間。內(nèi)存中全部存儲(chǔ)單元的物理地址集合稱(chēng)為物理地址空間、絕對(duì)地址空間或內(nèi)存地址空間。（5）虛擬地址空間。CPU支持的地址范圍一般遠(yuǎn)大于機(jī)器實(shí)際內(nèi)存的大小，對(duì)于沒(méi)有對(duì)應(yīng)的實(shí)際內(nèi)存的那部分地址程序仍然可能使用，我們將程序能夠使用的整個(gè)地址范圍稱(chēng)為虛擬地址空間。4.1 程序的鏈接和裝入4.1.2 程序鏈接 鏈接程序在將幾個(gè)目標(biāo)模塊裝配成一個(gè)裝入模塊時(shí)，需要解決以下問(wèn)題：（1）修改模塊的相對(duì)地址。（2）轉(zhuǎn)換外部調(diào)用符號(hào)。4.1 程序的鏈接和裝入目標(biāo)模塊鏈接方式（1）靜態(tài)鏈接。程序運(yùn)行前把源程序編譯成的所有目標(biāo)模塊及所需要的庫(kù)函數(shù)鏈接成

5、一個(gè)統(tǒng)一的裝入模塊，以后不再分開(kāi)。（2）裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。目標(biāo)模塊的鏈接是在模塊裝入內(nèi)存時(shí)進(jìn)行的，即在模塊裝入過(guò)程中同時(shí)完成所有目標(biāo)模塊的鏈接。（3）運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。先將一個(gè)目標(biāo)模塊裝入內(nèi)存且啟動(dòng)運(yùn)行，在進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中如果需要調(diào)用其他模塊，則再將所需模塊裝入內(nèi)存并把它鏈接到調(diào)用模塊上，然后進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。4.1 程序的鏈接和裝入4.1.3 程序裝入 1. 程序裝入 由于程序的邏輯地址空間和內(nèi)存的物理地址空間并不一致，因此要使裝入內(nèi)存的程序能夠運(yùn)行，系統(tǒng)必須將程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為機(jī)器能夠直接尋址的物理地址。因此，裝入程序在將程序（可裝入模塊）裝入內(nèi)存后，在程序執(zhí)行之前還必須將程序代碼中的邏輯地址轉(zhuǎn)

6、換為真實(shí)的物理地址，這種地址轉(zhuǎn)換操作稱(chēng)為地址映射、地址轉(zhuǎn)換或重定位。 程序裝入是指裝入程序根據(jù)內(nèi)存當(dāng)前的實(shí)際使用情況，將裝入模塊（程序）裝入到內(nèi)存合適的物理位置。4.1 程序的鏈接和裝入程序裝入分類(lèi) 靜態(tài)裝入-一次性將全部程序（所有可裝入模塊）裝入內(nèi)存，并在程序裝入內(nèi)存時(shí)或在程序運(yùn)行前，一次性完成程序中所有的邏輯地址（相對(duì)地址）到物理地址（絕對(duì)地址）的轉(zhuǎn)換工作。 運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)裝入-將程序的各目標(biāo)模塊按運(yùn)行的需要，逐次調(diào)入內(nèi)存并鏈接到調(diào)用模塊上。由于是逐次裝入內(nèi)存，因此不可能一次性完成將程序中所有邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的工作，這個(gè)地址轉(zhuǎn)換工作只能推遲到程序運(yùn)行中進(jìn)行，即執(zhí)行到涉及訪(fǎng)存地址的指令時(shí)再

7、進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。4.1 程序的鏈接和裝入2. 靜態(tài)重定位 指裝入程序?qū)⒊绦颍ㄑb入模塊）裝入到內(nèi)存后，并在程序裝入內(nèi)存時(shí)或在程序運(yùn)行前，一次性地將程序中所有指令中要訪(fǎng)問(wèn)的地址按下面的公式全部由相對(duì)地址（邏輯地址）轉(zhuǎn)換為絕對(duì)地址（物理地址），并在程序運(yùn)行過(guò)程中不再改變： 絕對(duì)地址相對(duì)地址程序存放的內(nèi)存起始地址4.1 程序的鏈接和裝入靜態(tài)重定位優(yōu)點(diǎn): 簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何硬件設(shè)備，可以通過(guò)軟件全部實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)重定位缺點(diǎn):（1）程序裝入內(nèi)存后，在運(yùn)行期間不允許該程序在內(nèi)存中移動(dòng)，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)存重新分配，因此內(nèi)存的利用率不高。（2）如果內(nèi)存提供的物理存儲(chǔ)空間無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前程序的存儲(chǔ)容量，則必須由用戶(hù)

8、在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用某種方法來(lái)解決存儲(chǔ)空間不足的問(wèn)題，這無(wú)疑增加了用戶(hù)的負(fù)擔(dān)。（3）不利于用戶(hù)共享存放在內(nèi)存中的同一個(gè)程序。如果幾個(gè)用戶(hù)要使用同一個(gè)程序，就必須在各自的內(nèi)存空間中存放該程序的副本，這浪費(fèi)了內(nèi)存資源。4.1 程序的鏈接和裝入3. 動(dòng)態(tài)重定位 指將裝入模塊裝入內(nèi)存后，并不立即完成相對(duì)地址到絕對(duì)地址的轉(zhuǎn)換，地址的轉(zhuǎn)換工作是在程序運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行的，即執(zhí)行到要訪(fǎng)問(wèn)指令或數(shù)據(jù)的相對(duì)地址時(shí)再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 地址重定位機(jī)構(gòu)需要一個(gè)（或多個(gè)）基地址寄存器（也稱(chēng)重定位寄存器，BR）和一個(gè)（或多個(gè)）程序邏輯地址寄存器（VR）。指令或數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的絕對(duì)地址與邏輯地址的關(guān)系為：絕對(duì)地址(BR)(VR) 4.1

9、程序的鏈接和裝入動(dòng)態(tài)重定位過(guò)程 裝入程序?qū)⒊绦颍ㄑb入模塊）裝入到內(nèi)存，然后將程序所裝入的內(nèi)存區(qū)域首地址作為基地址送入BR中。在程序運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)某條指令訪(fǎng)問(wèn)到一個(gè)相對(duì)地址時(shí)，則將該相對(duì)地址送入VR中；這時(shí)，硬件地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)把BR和VR中的內(nèi)容相加就形成了要訪(fǎng)問(wèn)的實(shí)際物理地址（絕對(duì)地址）。4.1 程序的鏈接和裝入動(dòng)態(tài)重定位優(yōu)點(diǎn)：（1）指令和數(shù)據(jù)的物理地址是在程序運(yùn)行過(guò)程中由硬件動(dòng)態(tài)形成的；（2）動(dòng)態(tài)重定位的地址轉(zhuǎn)換工作在程序真正執(zhí)行到該指令時(shí)才進(jìn)行；（3）動(dòng)態(tài)重定位有利于對(duì)程序段進(jìn)行共享。動(dòng)態(tài)重定位缺點(diǎn)：（1）需要硬件支持；（2）實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理的軟件算法比較復(fù)雜。4.1 程序的鏈接和裝入 注意：靜

10、態(tài)重定位僅適用全部程序一次性裝入內(nèi)存的情況，且地址變換是在程序裝入內(nèi)存時(shí)或程序運(yùn)行前一次性完成。 動(dòng)態(tài)重定位既適用全部程序一次性裝入內(nèi)存的情況，又適用于在程序運(yùn)行中動(dòng)態(tài)裝入各目標(biāo)模塊到內(nèi)存的情況，無(wú)論采用哪種裝入方式，動(dòng)態(tài)重定位的地址變換都是在程序運(yùn)行過(guò)程中執(zhí)行到涉及訪(fǎng)存地址的指令時(shí)進(jìn)行。 所以一次性將全部程序裝入內(nèi)存的方式，可以采用靜態(tài)重定位或動(dòng)態(tài)重定位方式進(jìn)行地址變換，但運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)裝入程序的各目標(biāo)模塊到內(nèi)存的方式，以及虛擬存儲(chǔ)器中動(dòng)態(tài)裝入分頁(yè)和分段到內(nèi)存的方式，只能采用動(dòng)態(tài)重定位方式進(jìn)行地址變換。4.1 程序的鏈接和裝入 內(nèi)存管理目標(biāo):（1）地址保護(hù)。一個(gè)程序不能訪(fǎng)問(wèn)另一個(gè)程序的地址空間。

11、（2）地址無(wú)關(guān)。用戶(hù)并不關(guān)心程序中使用的是何種地址，此時(shí)程序是在內(nèi)存還是在外存，這些工作應(yīng)由內(nèi)存管理自動(dòng)完成。 存儲(chǔ)管理基本功能：（1）內(nèi)存空間的分配與回收。按程序要求進(jìn)行內(nèi)存分配，當(dāng)程序完成后適時(shí)回收內(nèi)存。（2）實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)程序中的邏輯地址到內(nèi)存物理地址的轉(zhuǎn)換。（3）內(nèi)存空間的共享與保護(hù)。對(duì)內(nèi)存中的程序和數(shù)據(jù)實(shí)施保護(hù)。（4）內(nèi)存空間的擴(kuò)充。實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的邏輯擴(kuò)充，提供給用戶(hù)更大的存儲(chǔ)空間，允許比內(nèi)存容量還大的程序運(yùn)行。4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能4.2.1 多級(jí)存儲(chǔ)器體系（1）寄存器。寄存器是CPU內(nèi)部的高速存儲(chǔ)單元，主要用于存放程序運(yùn)行過(guò)程中所使用的各種數(shù)據(jù)。寄存器的存儲(chǔ)容量最小，

12、但存取速度最高。（2）高速緩沖存儲(chǔ)器。簡(jiǎn)稱(chēng)高速緩存，其存取速度與CPU速度相當(dāng)，非?？?，但成本高且容量較?。ㄒ话銥閹譑B到幾百KB），主要用來(lái)存放使用頻率較高的少量信息。（3）內(nèi)部存儲(chǔ)器。簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)存，又稱(chēng)主存儲(chǔ)器。程序需要裝入內(nèi)存方能運(yùn)行，因此內(nèi)存儲(chǔ)器一般用來(lái)存放用戶(hù)正在執(zhí)行的程序及使用到的數(shù)據(jù)。CPU可隨機(jī)存取其中的數(shù)據(jù)。內(nèi)存的存取速度要比高速緩存慢一點(diǎn)，容量要比高速緩存大得多（一般為幾GB）。（4）外部存儲(chǔ)器。簡(jiǎn)稱(chēng)外存，又稱(chēng)輔助存儲(chǔ)器。外存不能被CPU直接訪(fǎng)問(wèn)，一般用來(lái)存放大量的、暫時(shí)不用的數(shù)據(jù)信息。外存的存取速度較低且成本也較低，但容量較大（一般為幾十GB到幾百GB）。4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)

13、管理的基本功能4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能 雖然用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與程序的多種存儲(chǔ)設(shè)備在存取速度、存儲(chǔ)容量等屬性方面都各不相同，但是將它們組織在一起后就能發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，共同承擔(dān)存儲(chǔ)信息的任務(wù)，所以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系。多級(jí)存儲(chǔ)器體系示意4.2.2 內(nèi)存的分配與回收以及地址轉(zhuǎn)換 1.內(nèi)存空間的分配與回收 內(nèi)存管理的首要任務(wù)是當(dāng)用戶(hù)需要內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)按照一定的算法把某一空閑的內(nèi)存空間分配給用戶(hù)程序（進(jìn)程）；不需要時(shí)再及時(shí)回收，以供其他用戶(hù)程序使用。 在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境中，內(nèi)存分配的功能包括制定分配策略、構(gòu)造分配用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、響應(yīng)用戶(hù)程序的內(nèi)存分配請(qǐng)求和回收用戶(hù)程序釋放的內(nèi)存區(qū)。4.2

14、存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能設(shè)計(jì)內(nèi)存分配與回收算法必須考慮的問(wèn)題：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。登記內(nèi)存的使用情況，記錄可供分配的內(nèi)存空閑區(qū)大小和起始地址，以供分配和回收內(nèi)存時(shí)使用。（2）放置策略。決定內(nèi)存中放置信息的區(qū)域（或位置），即怎樣在若干個(gè)內(nèi)存空閑區(qū)中選擇一個(gè)或幾個(gè)空閑區(qū)來(lái)放置信息。（3）調(diào)入策略。確定外存中的程序段和數(shù)據(jù)段在什么時(shí)間、以什么樣的控制方式進(jìn)入內(nèi)存。（4）淘汰策略。在需要將某個(gè)程序段或數(shù)據(jù)段調(diào)入內(nèi)存卻出現(xiàn)內(nèi)存沒(méi)有足夠空閑區(qū)時(shí)，由淘汰策略來(lái)決定把內(nèi)存中的哪些程序段和數(shù)據(jù)段由內(nèi)存調(diào)出放入到外存，以便為調(diào)入的程序段或數(shù)據(jù)段騰出足夠的內(nèi)存空間。4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能2. 地址轉(zhuǎn)換（地

15、址重定位） 地址轉(zhuǎn)換有3種方式：（1）編程或編譯時(shí)產(chǎn)生絕對(duì)地址 在程序中采用符號(hào)地址，然后由編譯程序或匯編程序在對(duì)該程序編譯或匯編時(shí)再將這些符號(hào)地址轉(zhuǎn)換為絕對(duì)地址。（2）靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換 在程序裝入內(nèi)存時(shí)完成從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。（3）動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換 在程序運(yùn)行過(guò)程中要訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)或指令中的地址時(shí)由系統(tǒng)硬件完成從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能4.2.3 內(nèi)存的共享、保護(hù)及擴(kuò)充1. 內(nèi)存空間的共享和保護(hù) 兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程共享內(nèi)存中相同區(qū)域稱(chēng)為內(nèi)存的共享。 共享分為代碼共享和數(shù)據(jù)共享。代碼共享指多個(gè)進(jìn)程運(yùn)行內(nèi)存中的同一個(gè)代碼段。數(shù)據(jù)共享用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信。 存儲(chǔ)保護(hù)的目的是保

16、護(hù)系統(tǒng)程序區(qū)不被用戶(hù)有意或無(wú)意地侵犯，不允許用戶(hù)程序讀寫(xiě)不屬于自己地址空間的數(shù)據(jù)，使內(nèi)存中各道程序只能訪(fǎng)問(wèn)它自己的區(qū)域，避免各道程序之間相互干擾，特別是當(dāng)一道程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)不至于影響其他程序的運(yùn)行。 4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能存儲(chǔ)保護(hù)方式（1）界地址保護(hù) 界地址方式主要是防止地址越界，每個(gè)進(jìn)程（程序）都有自己獨(dú)立的進(jìn)程空間，如果一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的地址在其所屬空間之外則發(fā)生地址越界。常用的界地址保護(hù)有以下兩種： 上下界保護(hù)和地址檢查機(jī)構(gòu)：主要用于靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換。硬件提供一對(duì)上下界寄存器來(lái)分別存放程序裝入內(nèi)存后的首地址和末地址。4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能 基址、限長(zhǎng)寄存器和動(dòng)態(tài)

17、地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。這種機(jī)制主要用于動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換。在計(jì)算機(jī)中設(shè)置兩個(gè)專(zhuān)門(mén)的寄存器，稱(chēng)為基址和限長(zhǎng)寄存器，這兩種寄存器分別存放運(yùn)行程序在內(nèi)存的起始地址及其總長(zhǎng)度。4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能（2）存儲(chǔ)鍵保護(hù) 通過(guò)保護(hù)鍵匹配來(lái)判斷存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)方式是否合法。對(duì)每個(gè)內(nèi)存區(qū)域指定一個(gè)鍵值和若干禁止的訪(fǎng)問(wèn)方式，在進(jìn)程中也指定鍵值；如果訪(fǎng)問(wèn)時(shí)內(nèi)存區(qū)域和進(jìn)程鍵值不匹配而且是被禁止的訪(fǎng)問(wèn)方式，則發(fā)生操作越權(quán)錯(cuò)誤。2. 內(nèi)存空間的擴(kuò)充 實(shí)現(xiàn)內(nèi)存擴(kuò)充的根本辦法是充分利用內(nèi)存與外存資源，即只將當(dāng)前需要使用的部分程序和數(shù)據(jù)放入內(nèi)存，而將暫不使用的程序和數(shù)據(jù)存于外存，當(dāng)需要的時(shí)候再交換到內(nèi)存

18、來(lái)。 控制數(shù)據(jù)在內(nèi)、外存之間交換的基本方式：（1）用戶(hù)程序自己控制方式。典型的例子是覆蓋。（2）操作系統(tǒng)控制方式： 交換方式：利用外存空間，對(duì)進(jìn)程實(shí)體的整體或部分交換。 請(qǐng)求調(diào)入方式：所要訪(fǎng)問(wèn)的程序段或數(shù)據(jù)段不在內(nèi)存時(shí)，由操作系統(tǒng)自動(dòng)從外存將所需的程序段和數(shù)據(jù)段調(diào)入內(nèi)存。 預(yù)調(diào)入方式：由操作系統(tǒng)預(yù)測(cè)在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)訪(fǎng)問(wèn)到哪些程序段和數(shù)據(jù)段，并在它們被訪(fǎng)問(wèn)之前選擇合適的時(shí)機(jī)將其調(diào)入內(nèi)存。4.2 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理的基本功能 分區(qū)式存儲(chǔ)管理對(duì)內(nèi)存采用連續(xù)分配方式，即根據(jù)用戶(hù)程序的需求為其在內(nèi)存分配一段連續(xù)的存儲(chǔ)空間。分區(qū)式存儲(chǔ)管理屬于最簡(jiǎn)單的內(nèi)存管理方式，主要用于早期的操作系統(tǒng)。4.3 分區(qū)式存儲(chǔ)管理

19、4.3.1 單一連續(xù)分區(qū)存儲(chǔ)管理1. 實(shí)現(xiàn)原理特點(diǎn)：只適合于單用戶(hù)單任務(wù)操作系統(tǒng)，是一種最簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)管理方式。方法：將內(nèi)存空間劃分為系統(tǒng)區(qū)和用戶(hù)區(qū)兩部分（見(jiàn)下圖）。系統(tǒng)區(qū)僅供操作系統(tǒng)使用，通常放在內(nèi)存的低地址部分，系統(tǒng)區(qū)以外的全部?jī)?nèi)存空間為用戶(hù)區(qū)，提供給用戶(hù)使用。用戶(hù)程序由裝入程序從用戶(hù)區(qū)的低地址開(kāi)始裝入且只能裝入一個(gè)程序運(yùn)行。用戶(hù)區(qū)裝入一個(gè)程序后，內(nèi)存中剩余的區(qū)域則無(wú)法再利用。4.3 分區(qū)式存儲(chǔ)管理 單一連續(xù)分區(qū)存儲(chǔ)管理2. 分配與回收 分配過(guò)程是先將待裝入內(nèi)存的程序與用戶(hù)區(qū)進(jìn)行大小比較，若程序所需內(nèi)存空間沒(méi)有超過(guò)用戶(hù)區(qū)的大小，則為它分配內(nèi)存空間；否則內(nèi)存分配失敗?；厥詹僮鲃t是在用戶(hù)區(qū)的程序

20、運(yùn)行結(jié)束后，將該區(qū)域標(biāo)志置為未分配即可。 單一連續(xù)分區(qū)存儲(chǔ)管理3. 地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)（1）采用靜態(tài)重定位方式 單一連續(xù)分區(qū)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換多采用靜態(tài)重定位，即用戶(hù)程序在裝入內(nèi)存時(shí)采用靜態(tài)重定位一次性對(duì)所有數(shù)據(jù)和指令中的邏輯地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換。程序執(zhí)行期間，不允許指令和數(shù)據(jù)再改變地址，也不允許程序在內(nèi)存中移動(dòng)位置。 單一連續(xù)分區(qū)存儲(chǔ)管理（2）采用動(dòng)態(tài)重定位方式 設(shè)置一個(gè)重定位寄存器并用它來(lái)指明內(nèi)存中系統(tǒng)區(qū)和用戶(hù)區(qū)的地址界限，同時(shí)又作為用戶(hù)區(qū)的基地址。用戶(hù)程序由裝入程序裝入到從界限地址開(kāi)始的內(nèi)存區(qū)域，但這時(shí)并不進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。地址轉(zhuǎn)換要推遲到程序執(zhí)行過(guò)程中執(zhí)行到某指令中或某個(gè)數(shù)據(jù)的邏輯地址時(shí)，這時(shí)就動(dòng)

21、態(tài)地將這個(gè)邏輯地址與重定位寄存器中的值相加得到要訪(fǎng)問(wèn)的物理地址。 單一連續(xù)分區(qū)存儲(chǔ)管理4. 單一連續(xù)分區(qū)管理的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 管理簡(jiǎn)單，開(kāi)銷(xiāo)??； 安全性高，除了系統(tǒng)區(qū)外，用戶(hù)區(qū)中只有一個(gè)程序，不存在多個(gè)程序相互影響的問(wèn)題； 采用靜態(tài)重定位方式時(shí)不需要硬件支持。缺點(diǎn)： 不支持多用戶(hù)； 程序的地址空間受用戶(hù)區(qū)空間大小的限制，這是因?yàn)槌绦蛟谶\(yùn)行前必須一次性裝入內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域，若程序的地址空間比用戶(hù)區(qū)大則無(wú)法裝入； 由于一個(gè)程序獨(dú)占系統(tǒng)資源，這樣會(huì)造成系統(tǒng)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。4.3.2 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理1. 實(shí)現(xiàn)原理 將內(nèi)存系統(tǒng)區(qū)之外的用戶(hù)空間劃分成若干個(gè)固定大小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域稱(chēng)為一個(gè)分區(qū)并可裝入一個(gè)用戶(hù)

22、程序運(yùn)行。分區(qū)一旦劃分完成，就在系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行期間保持不變。 每個(gè)分區(qū)允許裝入一道程序運(yùn)行，則系統(tǒng)允許在內(nèi)存中同時(shí)裝入多道程序并發(fā)執(zhí)行。4.3 分區(qū)式存儲(chǔ)管理2. 分區(qū)劃分 在固定分區(qū)存儲(chǔ)管理方式中，分區(qū)的數(shù)目和每個(gè)分區(qū)的大小由系統(tǒng)操作員或操作系統(tǒng)決定。 分區(qū)劃分方式：（1）分區(qū)大小相等。優(yōu)點(diǎn)：管理簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)：缺乏靈活性。例如，若程序過(guò)小則會(huì)造成內(nèi)存空間浪費(fèi)，若程序過(guò)大則因其無(wú)法裝入分區(qū)而導(dǎo)致不能運(yùn)行。（2）分區(qū)大小不等。適量的中分區(qū)和較少的大分區(qū)。裝入程序可以根據(jù)用戶(hù)程序的大小將它裝入到適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理3. 內(nèi)存空間的分配與回收（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：為了有效管理內(nèi)存

23、中各分區(qū)的分配與使用，系統(tǒng)建立了一張內(nèi)存分區(qū)分配表，用來(lái)記錄內(nèi)存中所劃分的分區(qū)以及各分區(qū)的使用情況。 分區(qū)分配表的內(nèi)容包括分區(qū)號(hào)、起始地址、大小和狀態(tài)；狀態(tài)欄的值為0時(shí)表示該分區(qū)空閑可以裝入程序。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理（2）內(nèi)存空間分配 系統(tǒng)啟動(dòng)后在為程序分配分區(qū)之前，根據(jù)內(nèi)存分區(qū)的劃分在分區(qū)分配表中填入每個(gè)分區(qū)的起始地址和大小，并且將所有的狀態(tài)欄均填入0表示這些分區(qū)可用。 當(dāng)有程序申請(qǐng)內(nèi)存空間時(shí)，則檢查分區(qū)分配表，選擇那些狀態(tài)為0的分區(qū)來(lái)比較程序地址空間的大小和分區(qū)的大小。當(dāng)所有空閑分區(qū)的大小都不能容納該程序時(shí)，則該程序暫時(shí)不能進(jìn)入內(nèi)存，并由系統(tǒng)顯示內(nèi)存不足的信息；當(dāng)某個(gè)空閑分區(qū)的大小能容納該程

24、序時(shí)，則把該程序裝入這個(gè)分區(qū)，并將程序名填入這個(gè)分區(qū)的狀態(tài)欄。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理程序進(jìn)入分區(qū)的兩種排隊(duì)策略：（1）每個(gè)程序被調(diào)度程序選中時(shí)，就將其排到一個(gè)能夠裝入它的最小分區(qū)號(hào)（不管該分區(qū)是否空閑）等待隊(duì)列中，但這種策略在等待處理的程序大小很不均勻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有的分區(qū)空閑而有的分區(qū)忙碌；（2）所有等待處理的程序排成一個(gè)隊(duì)列，當(dāng)調(diào)度其中一個(gè)程序進(jìn)入內(nèi)存分區(qū)時(shí)，則選擇可容納它的最小空閑分區(qū)，分配給它以充分利用內(nèi)存。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理（3）內(nèi)存空間回收 當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)，根據(jù)程序名檢索分區(qū)分配表，從狀態(tài)欄信息可找到該程序所使用的分區(qū)，然后將該分區(qū)狀態(tài)欄置為0，表示該分區(qū)已經(jīng)空閑可以裝入新的程序。 固定

25、分區(qū)存儲(chǔ)管理4. 地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)固定分區(qū)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換可以采用靜態(tài)重定位方式： 物理地址邏輯地址分區(qū)起始地址系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)地址寄存器，分別稱(chēng)為上界寄存器和下界寄存器。上界寄存器用來(lái)存放分區(qū)的低地址，即起始地址；下界寄存器用來(lái)存放分區(qū)的高地址，即結(jié)束地址。裝入程序在將用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存分區(qū)時(shí)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，即將用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的邏輯地址，改為由邏輯地址加上上界寄存器中所存放的分區(qū)低地址，即轉(zhuǎn)換為可直接訪(fǎng)問(wèn)的物理地址。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)保護(hù) 方法是在程序運(yùn)行過(guò)程中，每當(dāng)CPU獲得物理地址時(shí)首先與上、下界寄存器的值進(jìn)行比較，若超出上、下界寄存器的值就發(fā)出地址越界中斷信號(hào)，并由相應(yīng)的

26、中斷處理程序處理。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理5. 固定分區(qū)分配的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)分區(qū)分配表來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配與回收，而且程序執(zhí)行時(shí)采用靜態(tài)重定位這種方式簡(jiǎn)單易行，CPU利用率較高。缺點(diǎn)：程序大小受分區(qū)大小的限制，當(dāng)分區(qū)較大而程序較小時(shí)容易形成內(nèi)部碎片（一個(gè)分區(qū)內(nèi)部浪費(fèi)的空間稱(chēng)為內(nèi)部碎片）而造成內(nèi)存空間的浪費(fèi)；由于固定分區(qū)分配方式使分區(qū)總數(shù)固定，這就限制了并發(fā)執(zhí)行程序的數(shù)量。4.3.3 可變分區(qū)存儲(chǔ)管理1. 實(shí)現(xiàn)原理在程序裝入內(nèi)存之前并不建立分區(qū)，內(nèi)存分區(qū)是在程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)程序?qū)?nèi)存空間的需要而動(dòng)態(tài)建立的。分區(qū)的劃分時(shí)間、大小及其位置都是動(dòng)態(tài)的。2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：已分配分區(qū)表、空閑分區(qū)表及空閑分區(qū)鏈。已分

27、配分區(qū)表用于登記內(nèi)存空間中已經(jīng)分配的分區(qū)，每個(gè)表項(xiàng)記錄一個(gè)已分配分區(qū)，其內(nèi)容包括分區(qū)號(hào)、起始地址、大小和狀態(tài)?？臻e分區(qū)表則記錄內(nèi)存中所有空閑的分區(qū)，每個(gè)表項(xiàng)記錄一個(gè)空閑分區(qū)，其內(nèi)容包括分區(qū)號(hào)、起始地址、大小和狀態(tài)?？臻e分區(qū)鏈以系統(tǒng)當(dāng)前的空閑分區(qū)為結(jié)點(diǎn)，利用鏈指針將所有空閑分區(qū)結(jié)點(diǎn)鏈接成一個(gè)雙向循環(huán)隊(duì)列。4.3 分區(qū)式存儲(chǔ)管理 可變分區(qū)存儲(chǔ)管理已分配分區(qū)表空閑分區(qū)表分區(qū)號(hào)起始地址（KB）大?。↘B）狀態(tài)分區(qū)號(hào)起始地址（KB）大?。↘B）狀態(tài)15020P117020029015P221051550326040P333001000內(nèi)存及空閑分區(qū)鏈?zhǔn)疽?固定分區(qū)存儲(chǔ)管理3. 分配算法（1）首次適應(yīng)算法

28、要求空閑分區(qū)按內(nèi)存地址遞增的次序排列在空閑分區(qū)鏈上，每當(dāng)一個(gè)程序申請(qǐng)裝入內(nèi)存時(shí)，管理程序在空閑分區(qū)鏈上按內(nèi)存地址遞增的順序從鏈?zhǔn)组_(kāi)始查找空閑分區(qū)，直到找到一個(gè)最先滿(mǎn)足此程序要求的空閑分區(qū)，并按此程序的大小從該空閑分區(qū)中劃出一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域給其使用。特點(diǎn)：每次都從內(nèi)存的低地址部分開(kāi)始查找滿(mǎn)足要求的空閑分區(qū)。首次適應(yīng)算法中的空閑分區(qū)按地址遞增排列，這使回收的內(nèi)存區(qū)與相鄰空閑分區(qū)的合并比較容易。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理（2）最佳適應(yīng)算法要求空閑分區(qū)按分區(qū)大小遞增的次序排列在空閑分區(qū)鏈上，當(dāng)為用戶(hù)程序分配內(nèi)存空閑分區(qū)時(shí)，則從空閑分區(qū)鏈鏈?zhǔn)椎淖钚】臻e分區(qū)開(kāi)始查找，找到的第一個(gè)大小滿(mǎn)足程序要求的空閑分區(qū)就是最

29、佳空閑分區(qū)；該分區(qū)能滿(mǎn)足程序的內(nèi)存要求，并且在分配后剩余的空閑空間最小。優(yōu)點(diǎn)：保留了內(nèi)存中的大空閑區(qū)，當(dāng)大程序到來(lái)時(shí)有足夠大的空閑區(qū)可以為其分配。在回收內(nèi)存區(qū)時(shí)，為了將回收的內(nèi)存區(qū)與相鄰的空閑分區(qū)合并成一個(gè)空閑分區(qū)，可能要查遍整個(gè)空閑分區(qū)鏈，因?yàn)榭臻e分區(qū)是按大小排列而不是按地址排列的。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理（3）最差適應(yīng)算法要求空閑分區(qū)按分區(qū)大小遞減的次序排列在空閑分區(qū)鏈上，每一次總是把空閑分區(qū)鏈鏈?zhǔn)椎淖畲蟮目臻e分區(qū)分配給請(qǐng)求的用戶(hù)程序；若該空閑分區(qū)小于程序要求的大小則分配失敗；若能夠滿(mǎn)足程序的要求，則按程序要求的大小從該空閑分區(qū)中劃出一塊連續(xù)區(qū)域分配給它。優(yōu)點(diǎn)：有利于后期再分配。在回收內(nèi)存區(qū)時(shí)，

30、為了將回收的內(nèi)存區(qū)與相鄰的空閑分區(qū)合并成一個(gè)空閑分區(qū)，可能要查遍整個(gè)空閑分區(qū)鏈，因?yàn)榭臻e分區(qū)是按大小排列而不是按地址排列的。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理例4.1 有一程序序列：程序A要求18KB，程序B要求25KB，程序C要求30KB，初始內(nèi)存分配情況如圖所示（其中陰影為分配區(qū)）。問(wèn)首次適應(yīng)算法、最佳適應(yīng)算法和最差適應(yīng)算法中哪種能滿(mǎn)足該程序序列的分配？ 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理【解答】 結(jié)合系統(tǒng)中初始內(nèi)存的分配情況，建立的首次適應(yīng)算法、最佳適應(yīng)算法和最差適應(yīng)算法的空閑區(qū)鏈分別如圖： 對(duì)于首次適應(yīng)算法，程序A分配30KB的空閑分區(qū)，程序B分配46KB的空閑分區(qū)，此后就無(wú)法為程序C分配合適的空閑分區(qū)了。 對(duì)于最佳適

31、應(yīng)算法，程序A分配20KB的空閑分區(qū)，程序B分配30KB的空閑分區(qū)，程序C分配46KB的空閑分區(qū)。 對(duì)于最差適應(yīng)算法，程序A分配46KB的空閑分區(qū)，程序B分配30KB的空閑分區(qū)，此后就無(wú)法為程序C分配合適的空閑分區(qū)了。 因此，本題最佳適應(yīng)算法對(duì)這個(gè)程序序列的內(nèi)存分配是合適的。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理4.分配與回收 系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)存分配時(shí)采用相應(yīng)的分配算法來(lái)查找系統(tǒng)中是否存在滿(mǎn)足要求的空閑分區(qū)；若找到就為程序分配相應(yīng)的內(nèi)存空間，并修改相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，否則此次分配失敗。 內(nèi)存的回收指在程序運(yùn)行結(jié)束后，系統(tǒng)要把該程序釋放的內(nèi)存空間及時(shí)收回以便重新分配給需要的程序。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理回收的內(nèi)存區(qū)與內(nèi)存中的空閑分

32、區(qū)在位置上存在4種關(guān)系： （1）回收的內(nèi)存區(qū)與上、下兩個(gè)空閑分區(qū)相鄰 （2）回收的內(nèi)存區(qū)只與上空閑區(qū)相鄰 （3）回收的內(nèi)存區(qū)只與下空閑分區(qū)相鄰 （4）回收的內(nèi)存區(qū)上、下都不與空閑分區(qū)相鄰 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理5. 地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)（1）地址轉(zhuǎn)換 步驟如下： 當(dāng)程序占用CPU時(shí)，進(jìn)程調(diào)度程序就把該程序所占分區(qū)的起始地址送入基址寄存器，把程序所占分區(qū)的大小送入限長(zhǎng)寄存器。 程序執(zhí)行過(guò)程中，每當(dāng)CPU執(zhí)行到涉及地址的指令時(shí)都要由地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)把程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理（2）存儲(chǔ)保護(hù) 基址寄存器和限長(zhǎng)寄存器分別記錄當(dāng)前運(yùn)行程序在內(nèi)存中所占分區(qū)的起始地址和結(jié)束地址。當(dāng)CPU執(zhí)行到程

33、序中涉及地址的指令時(shí)，必須核對(duì)轉(zhuǎn)換后的物理地址是否滿(mǎn)足條件“起始地址物理地址結(jié)束地址”，若滿(mǎn)足則執(zhí)行該指令，否則產(chǎn)生地址越界錯(cuò)誤停止該程序的執(zhí)行。 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理6. 碎片問(wèn)題 在采用可變分區(qū)存儲(chǔ)管理方式下，隨著分配與回收的不斷進(jìn)行，內(nèi)存中會(huì)出現(xiàn)很多離散分布且容量很小的空閑小分區(qū)，雖然這些空閑小分區(qū)的總?cè)萘磕軌驖M(mǎn)足程序?qū)?nèi)存的要求，但由于一個(gè)程序需要裝入到一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存分區(qū)，而這些空閑小分區(qū)單個(gè)又不能滿(mǎn)足程序?qū)?nèi)存大小的需求，于是這些小的空閑分區(qū)就成為內(nèi)存中無(wú)法再利用的資源，稱(chēng)為內(nèi)存碎片或零頭。 在可變分區(qū)分配中，系統(tǒng)解決外部碎片的思路是通過(guò)某種方法，將內(nèi)存中無(wú)法利用的小空閑分區(qū)合并在一起組

34、成一個(gè)較大的空閑分區(qū)來(lái)滿(mǎn)足程序的需要，這種方法被稱(chēng)為緊湊技術(shù)。4.3.4 覆蓋與交換技術(shù)1. 覆蓋技術(shù) 單CPU系統(tǒng)中的任一時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，而一個(gè)用戶(hù)程序通常由若干個(gè)在功能上相互獨(dú)立的程序段組成。在用戶(hù)程序運(yùn)行的某一時(shí)刻，這些相互獨(dú)立的程序段不可能同時(shí)運(yùn)行，因此可以采用覆蓋（Overlay）技術(shù)按程序自身的邏輯結(jié)構(gòu)讓那些不會(huì)同時(shí)執(zhí)行的程序段共享同一塊內(nèi)存區(qū)域；即這些程序段先保存在外存上，僅將最初執(zhí)行的一部分程序（程序段）裝入內(nèi)存，當(dāng)程序前一部分程序段執(zhí)行結(jié)束時(shí)，再把后一部分要執(zhí)行的程序段陸續(xù)調(diào)入內(nèi)存去覆蓋前一部分已執(zhí)行結(jié)束的程序段。 用戶(hù)要根據(jù)程序的邏輯結(jié)構(gòu)將一個(gè)程序劃分為不同的程序段，

35、并事先規(guī)定好內(nèi)存的覆蓋區(qū)及程序的執(zhí)行順序和覆蓋順序，否則就會(huì)導(dǎo)致程序段的覆蓋次序與執(zhí)行次序之間發(fā)生沖突。4.3 分區(qū)式存儲(chǔ)管理 覆蓋與交換技術(shù)例：程序中包含了6個(gè)程序段，它們之間的調(diào)用關(guān)系如圖(a) 所示：M0調(diào)用了M1和M2，M1調(diào)用了M1.1和M1.2，M2調(diào)用了M2.1。通過(guò)調(diào)用關(guān)系可知，程序段M1和M2相互之間沒(méi)有調(diào)用關(guān)系，它們不需要同時(shí)駐留在內(nèi)存，可以共享同一覆蓋區(qū)；同理程序段M1.1、M1.2和M2.1也可以共享同一覆蓋區(qū)，其覆蓋結(jié)構(gòu)如圖(b) 所示。 覆蓋與交換技術(shù)2. 交換技術(shù)在操作系統(tǒng)中增加交換（對(duì)換）功能，即由操作系統(tǒng)根據(jù)需要，將內(nèi)存中暫時(shí)不具備運(yùn)行條件的部分程序或數(shù)據(jù)移到

36、外存，以便騰出足夠的內(nèi)存空間將外存中急需運(yùn)行的程序或數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存投入運(yùn)行。交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式：（1）若交換以進(jìn)程為單位，即每次換進(jìn)/換出的是整個(gè)進(jìn)程，則把這種交換稱(chēng)為進(jìn)程交換（進(jìn)程對(duì)換）或整體交換（整體對(duì)換）。進(jìn)程交換廣泛應(yīng)用于分時(shí)系統(tǒng)，主要解決內(nèi)存緊張問(wèn)題。（2）若交換以頁(yè)或段為單位，則把這種交換分別稱(chēng)為頁(yè)置換（頁(yè)交換或頁(yè)對(duì)換）或段置換（段交換或段對(duì)換）。頁(yè)置換和段置換是以進(jìn)程中的某一部分為交換單位，因此又稱(chēng)為部分交換（部分對(duì)換）。部分交換廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，是實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)。4.4.1 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的基本原理1. 實(shí)現(xiàn)原理在分頁(yè)存儲(chǔ)管理中，一個(gè)程序的邏輯地址空間被劃分成若干個(gè)大小

37、相等的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域稱(chēng)為頁(yè)或頁(yè)面，并且程序地址空間中所有的頁(yè)從0開(kāi)始順序編號(hào)。相應(yīng)地，內(nèi)存物理地址空間也按同樣方式劃分成與頁(yè)大小相同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域稱(chēng)為物理塊或頁(yè)框，與頁(yè)一樣內(nèi)存空間中的所有物理塊也從0開(kāi)始順序編號(hào)。在為程序分配內(nèi)存時(shí)，允許以頁(yè)為單位將程序的各個(gè)頁(yè)，分別裝入內(nèi)存中相鄰或不相鄰的物理塊中。4.4 分頁(yè)存儲(chǔ)管理 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的基本原理2. 邏輯地址結(jié)構(gòu)程序的一維邏輯空間經(jīng)過(guò)系統(tǒng)硬件自動(dòng)分頁(yè)后，形成“頁(yè)號(hào)+頁(yè)內(nèi)地址”的地址結(jié)構(gòu)其中，011位是頁(yè)內(nèi)地址，即每個(gè)頁(yè)的大小是4KB；1231位是頁(yè)號(hào)，即地址空間最多允許有1M個(gè)頁(yè)。一維邏輯地址與頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址的關(guān)系是（注：頁(yè)長(zhǎng)即一頁(yè)的大?。?/p>

38、 一維邏輯地址頁(yè)號(hào)頁(yè)長(zhǎng)頁(yè)內(nèi)地址 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的基本原理3. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）頁(yè)表在分頁(yè)系統(tǒng)中，允許頁(yè)以離散方式存儲(chǔ)在內(nèi)存不同的物理塊里，為了使程序能夠正確運(yùn)行，必須在內(nèi)存空間中找到存放每個(gè)頁(yè)的物理塊。因此操作系統(tǒng)為每個(gè)程序（進(jìn)程）建立了一張頁(yè)表，用來(lái)映射頁(yè)號(hào)與內(nèi)存物理塊號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（2）內(nèi)存分配表系統(tǒng)建立一張內(nèi)存分配表來(lái)記錄內(nèi)存中物理塊的分配情況。最簡(jiǎn)單的辦法是用一張位示圖（Bitmap）來(lái)構(gòu)成內(nèi)存分配表。4.4.2 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)1. 基本地址轉(zhuǎn)換在分頁(yè)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)為每個(gè)程序建立了一張頁(yè)表。當(dāng)程序被裝入內(nèi)存但尚未運(yùn)行時(shí)，頁(yè)表起始地址和頁(yè)表長(zhǎng)度等信息被保存到為該程

39、序（進(jìn)程）創(chuàng)建的PCB中；一旦調(diào)度程序調(diào)度該進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，其PCB中保存的頁(yè)表始址和頁(yè)表長(zhǎng)度信息便被裝入頁(yè)表控制寄存器中。4.4 分頁(yè)存儲(chǔ)管理分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)按照下列步驟完成邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換工作：（1）地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)自動(dòng)將一維邏輯地址劃分為頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址。（2）將得到的頁(yè)號(hào)與頁(yè)表控制寄存器中存放的頁(yè)表長(zhǎng)度進(jìn)行比較，如果頁(yè)號(hào)大于頁(yè)表長(zhǎng)度，系統(tǒng)就產(chǎn)生地址越界中斷，表示要訪(fǎng)問(wèn)的地址已經(jīng)超過(guò)了該進(jìn)程的地址空間；否則就根據(jù)頁(yè)表控制寄存器中的頁(yè)表始址找到頁(yè)表在內(nèi)存中存放的首地址。（3）由頁(yè)表的首地址（指向0號(hào)頁(yè)）加上頁(yè)號(hào)（頁(yè)表項(xiàng)的相對(duì)位移）找到相應(yīng)頁(yè)號(hào)所在的表項(xiàng)位置，從而得

40、到該頁(yè)映射（裝入）到內(nèi)存中的物理塊號(hào)。最后，將這個(gè)物理塊號(hào)與頁(yè)內(nèi)地址拼接在一起（不是相加），即在邏輯地址中用物理塊號(hào)取代頁(yè)號(hào)就形成了要訪(fǎng)問(wèn)的物理地址。 實(shí)際要訪(fǎng)問(wèn)的物理地址與物理塊號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址的關(guān)系是： 物理地址物理塊號(hào)頁(yè)長(zhǎng)頁(yè)內(nèi)地址分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)例：在一采用分頁(yè)存儲(chǔ)管理的系統(tǒng)中，一程序有4個(gè)頁(yè)并被分別裝入到內(nèi)存的第3、4、6、8號(hào)物理塊中，已知頁(yè)和物理塊的大小均為1024B，該程序在CPU上運(yùn)行并執(zhí)行到如下的一條傳送指令： MOV AX,2100 請(qǐng)用地址轉(zhuǎn)換圖計(jì)算MOV指令中操作數(shù)2100的物理地址?！窘獯稹?本題的頁(yè)的大小為1024B，可知頁(yè)內(nèi)地址為09位，即邏輯地址21

41、00的頁(yè)號(hào)2100/10242（取整后），頁(yè)內(nèi)地址21002102452。邏輯地址2100的地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4-23所示。根據(jù)圖4-23，可以得到頁(yè)號(hào)2對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)為6，即物理地址61024526196。分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)2. 具有快表的地址轉(zhuǎn)換為了提高地址轉(zhuǎn)換的速度，可以將頁(yè)表存放在一組專(zhuān)門(mén)的寄存器中，即一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)專(zhuān)用一個(gè)寄存器存放。另一種是在地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中增加一個(gè)具備并行查找能力的高速緩沖寄存器，又稱(chēng)為聯(lián)想存儲(chǔ)器（Associative Memory）來(lái)構(gòu)成一張快表，快表中保存著當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程最常用的頁(yè)號(hào)和其對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)。具有快表時(shí)其地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：當(dāng)CPU給出需要訪(fǎng)問(wèn)的

42、邏輯地址后，地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)根據(jù)所得到的頁(yè)號(hào)在快表中查找其所對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)；若要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)號(hào)其頁(yè)表項(xiàng)已在快表中，則可直接從快表中獲得該頁(yè)所對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)并完成物理地址的轉(zhuǎn)換；若在快表中沒(méi)有找到與頁(yè)號(hào)對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)，則仍然通過(guò)內(nèi)存中的頁(yè)表進(jìn)行查找，并從頁(yè)號(hào)所對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)中獲得相應(yīng)的物理塊號(hào)來(lái)完成物理地址的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將所獲得的頁(yè)表項(xiàng)存入快表。 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)具有快表的地址轉(zhuǎn)換示意圖： 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)3. 頁(yè)的共享和保護(hù)（1）頁(yè)的共享數(shù)據(jù)共享：允許不同的程序?qū)蚕淼臄?shù)據(jù)頁(yè)使用不同的頁(yè)號(hào)，只要讓各自頁(yè)表中有關(guān)表項(xiàng)指向共享信息的物理塊即可；程序共享：必須把共享的程序安排到所有

43、共享它的程序地址空間具有相同頁(yè)號(hào)的頁(yè)中,否則地址轉(zhuǎn)換將出現(xiàn)問(wèn)題。（2）頁(yè)的保護(hù)邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址時(shí)的保護(hù)：通過(guò)頁(yè)號(hào)與頁(yè)表長(zhǎng)度的比較防止地址越界；對(duì)共享信息的保護(hù)：通常是在頁(yè)表中增加一些標(biāo)志位來(lái)設(shè)置存取控制字段，一般設(shè)置只讀、讀寫(xiě)、讀和執(zhí)行等權(quán)限；如果某進(jìn)程試圖去執(zhí)行一個(gè)只允許讀的內(nèi)存物理塊，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出訪(fǎng)問(wèn)性中斷。 4.4.3 兩級(jí)頁(yè)表和多級(jí)頁(yè)表 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)已普遍使用32位或64位邏輯地址，可以支持232B264B容量的邏輯地址空間。這樣，采用分頁(yè)存儲(chǔ)管理時(shí)頁(yè)表會(huì)相當(dāng)大，在內(nèi)存中找到一個(gè)連續(xù)空間來(lái)存放頁(yè)表就不容易了。例如，對(duì)232B的邏輯地址空間來(lái)說(shuō)，如果頁(yè)的大小為4KB（212B）則頁(yè)表

44、項(xiàng)達(dá)1M個(gè)，如果每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)僅占用1B，則每個(gè)進(jìn)程的頁(yè)表要占用1MB的連續(xù)內(nèi)存空間，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。為了減少頁(yè)表所占用的連續(xù)內(nèi)存空間，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法是使用兩級(jí)或多級(jí)分頁(yè)方法，即將頁(yè)表再進(jìn)行分頁(yè)。4.4 分頁(yè)存儲(chǔ)管理 兩級(jí)頁(yè)表和多級(jí)頁(yè)表1. 兩級(jí)頁(yè)表為了將一個(gè)大頁(yè)表存放在內(nèi)存中，可以考慮先對(duì)頁(yè)表進(jìn)行分頁(yè)，然后把頁(yè)表分頁(yè)后形成的各個(gè)頁(yè)（稱(chēng)為頁(yè)表分頁(yè)）分別存儲(chǔ)在內(nèi)存中不一定相鄰的物理塊中。由于各個(gè)頁(yè)表分頁(yè)以離散方式存放，為了將它們組織起來(lái)，可以以頁(yè)表分頁(yè)為單位建立更高一級(jí)索引，該索引稱(chēng)為外層頁(yè)表。每個(gè)頁(yè)表分頁(yè)在外層頁(yè)表中有一個(gè)外層頁(yè)表項(xiàng)，它記錄了對(duì)應(yīng)頁(yè)表分頁(yè)在內(nèi)存中所存放的物理塊號(hào)。引入外層頁(yè)表

45、后，分頁(yè)存儲(chǔ)管理就建立在兩級(jí)頁(yè)表的基礎(chǔ)上，這時(shí)進(jìn)程的邏輯地址可以通過(guò)外層頁(yè)號(hào)、內(nèi)層頁(yè)號(hào)、頁(yè)內(nèi)地址來(lái)描述。 兩級(jí)頁(yè)表和多級(jí)頁(yè)表兩級(jí)頁(yè)表及其關(guān)系： 兩級(jí)頁(yè)表和多級(jí)頁(yè)表具有兩級(jí)頁(yè)表的地址轉(zhuǎn)換過(guò)程地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)首先從外層頁(yè)表控制寄存器中取出外層頁(yè)表在內(nèi)存中的起始地址，以進(jìn)程邏輯地址中的外層頁(yè)號(hào)檢索外層頁(yè)表，找到指定內(nèi)層頁(yè)表（頁(yè)表分頁(yè)）在內(nèi)存中的起始地址；然后在內(nèi)層頁(yè)表中按內(nèi)層頁(yè)號(hào)找到指定的頁(yè)表項(xiàng)，而該頁(yè)表項(xiàng)則給出了要訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)在內(nèi)存中的物理塊號(hào)；最后，將該物理塊號(hào)與邏輯地址中的頁(yè)內(nèi)地址進(jìn)行拼接就形成了真正要訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存物理地址。 兩級(jí)頁(yè)表和多級(jí)頁(yè)表2. 多級(jí)頁(yè)表 采用多級(jí)頁(yè)表的原理是對(duì)外層頁(yè)表再進(jìn)行分頁(yè)，將外

46、層頁(yè)表的不同分頁(yè)以離散分配方式裝入到內(nèi)存不同位置的物理塊中，再利用第2級(jí)的外層頁(yè)表來(lái)映射它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣逐級(jí)進(jìn)行分頁(yè)，直至到最終映射到物理塊為止。3.倒置頁(yè)表 一般頁(yè)表的表項(xiàng)是按頁(yè)號(hào)進(jìn)行排序，頁(yè)表項(xiàng)中的內(nèi)容是物理塊號(hào)，而倒置頁(yè)表則是為每一個(gè)物理塊設(shè)置一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，并按物理塊號(hào)排序，頁(yè)表項(xiàng)的內(nèi)容是頁(yè)號(hào)及其隸屬進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符。在利用倒置頁(yè)表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)，則根據(jù)進(jìn)程標(biāo)識(shí)符和頁(yè)號(hào)去檢索倒置頁(yè)表，4.4.4 內(nèi)存物理塊的分配與回收 為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存物理塊的分配與回收，系統(tǒng)設(shè)置了一張請(qǐng)求表和一張內(nèi)存分配表。 請(qǐng)求表：用來(lái)確定作業(yè)或進(jìn)程的各頁(yè)在內(nèi)存中的實(shí)際對(duì)應(yīng)位置，它包括以下信息：進(jìn)程號(hào)、請(qǐng)求頁(yè)數(shù)、頁(yè)表始

47、址、頁(yè)表長(zhǎng)度、狀態(tài)（已分配、未分配）等。 內(nèi)存分配表：用來(lái)記錄內(nèi)存空間中物理塊的分配情況和空閑物理塊的總數(shù)，并可以通過(guò)前面介紹的位示圖或空閑鏈等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)為進(jìn)程分配內(nèi)存空間步驟：（1）查找請(qǐng)求表，根據(jù)請(qǐng)求表中該進(jìn)程的頁(yè)數(shù)查找內(nèi)存分配表，是否有足夠的空閑物理塊；（2）有則先為該進(jìn)程建立一個(gè)頁(yè)表，同時(shí)在請(qǐng)求表中填寫(xiě)頁(yè)表始址、頁(yè)表長(zhǎng)度、以及狀態(tài)等相關(guān)信息；（3）根據(jù)具體的查找算法找出用于分配的空閑物理塊并把它們分配給該進(jìn)程，同時(shí)將該進(jìn)程各個(gè)頁(yè)與物理塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系填入該進(jìn)程的頁(yè)表中；否則，此次內(nèi)存空間分配失敗。4.4 分頁(yè)存儲(chǔ)管理 內(nèi)存物理塊的分配與回收 系統(tǒng)在回收某個(gè)物理塊時(shí)只需訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)表，并將回

48、收頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)從頁(yè)表中刪除并更新內(nèi)存分配表即可。 分頁(yè)存儲(chǔ)管理總結(jié)：（1）優(yōu)點(diǎn)：分頁(yè)存儲(chǔ)管理并不要求各個(gè)頁(yè)之間連續(xù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了離散存儲(chǔ)并可以避免外部碎片，為以后實(shí)現(xiàn)程序的“部分裝入、部分對(duì)換”奠定了基礎(chǔ)。（2）缺點(diǎn)： 當(dāng)內(nèi)存和程序都很大時(shí)，通過(guò)位示圖和頁(yè)表來(lái)記錄內(nèi)存使用情況和每個(gè)程序內(nèi)存分配情況會(huì)使位示圖和頁(yè)表占用較大的存儲(chǔ)空間； 分頁(yè)存儲(chǔ)管理方法要求有相應(yīng)的硬件支持，如需要地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和快表等，增加了計(jì)算機(jī)的成本和系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)； 分頁(yè)存儲(chǔ)管理雖然消除了外部碎片，但頁(yè)內(nèi)的內(nèi)部碎片依然存在； 分頁(yè)破壞了程序的完整性，這給程序的共享、動(dòng)態(tài)鏈接等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了困難。4.5.1 分段存儲(chǔ)管理的基本

49、原理 程序大多采用分段結(jié)構(gòu)，一個(gè)程序可以由主程序段、子程序段和數(shù)據(jù)段等組成，每個(gè)段都從邏輯地址0開(kāi)始編制，有各自的名字和長(zhǎng)度并實(shí)現(xiàn)不同的功能，整個(gè)程序的所有段則構(gòu)成了二維地址空間。 分段存儲(chǔ)管理方式-以段為單位為程序離散分配內(nèi)存空間，4.5 分段存儲(chǔ)管理 分段存儲(chǔ)管理的基本原理1. 實(shí)現(xiàn)原理 在為程序分配內(nèi)存時(shí)，允許以段為單位將程序離散地裝入不相鄰的內(nèi)存空間中，每一個(gè)段本身則要在內(nèi)存占用一段連續(xù)的區(qū)域，系統(tǒng)通過(guò)地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將段的邏輯地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際的內(nèi)存物理地址，使程序能夠順利執(zhí)行。2. 邏輯地址結(jié)構(gòu) 如下圖所示的地址結(jié)構(gòu)中，一個(gè)程序最多允許256（28）個(gè)段，每個(gè)段的長(zhǎng)度為16MB（224）。

50、 分段存儲(chǔ)管理的基本原理3. 段表 在分段存儲(chǔ)管理中，程序的各段以離散分配方式裝入到內(nèi)存中各不相鄰的空閑分區(qū)，而每個(gè)段在該分區(qū)中是連續(xù)的。 系統(tǒng)為每個(gè)程序建立了一張段表，以實(shí)現(xiàn)將二維邏輯地址轉(zhuǎn)換為一維物理地址。程序的每個(gè)段在段表中占有一個(gè)表項(xiàng)，該表項(xiàng)記錄了該段的段號(hào)（段名）、該段在內(nèi)存中的起始地址以及該段的長(zhǎng)度等信息。4.5.2 分段存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)1. 地址轉(zhuǎn)換先通過(guò)段表控制寄存器中存放的段表始址找到段表，然后再?gòu)亩伪碇姓业綄?duì)應(yīng)的表項(xiàng)來(lái)完成邏輯段與內(nèi)存物理分區(qū)的映射。4.5 分段存儲(chǔ)管理 地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)例：在一個(gè)分段存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，其段表如下左表所示，試求右表中邏輯地址所對(duì)應(yīng)

51、的物理地址。段號(hào)段長(zhǎng)內(nèi)存起始地址05002101202350290100359013504951938段號(hào)段內(nèi)地址0430110250034004112532【解答】 （1）640（2）2360（3）產(chǎn)生越界中斷（4）1750（5）產(chǎn)生越界中斷（6）產(chǎn)生越界中斷 地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)2. 分段共享（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)中需要設(shè)置共享段表，每個(gè)共享段在表中占據(jù)一個(gè)表項(xiàng)，它記錄了為實(shí)現(xiàn)該段共享所需的全部信息，包括共享段的段名、段長(zhǎng)、狀態(tài)、內(nèi)存始址等共享段自身的信息，以及進(jìn)程名、段號(hào)等共享此段的所有進(jìn)程的相關(guān)信息。 地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)（2）共享段的分配與回收分配：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求使用某共享段時(shí)，若該共享

52、段尚未調(diào)入內(nèi)存則為它分配相應(yīng)的內(nèi)存空間，并將內(nèi)存始址填入請(qǐng)求進(jìn)程的段表中，同時(shí)在共享段表的有關(guān)表項(xiàng)中填入該共享段的相關(guān)信息和調(diào)用進(jìn)程的相關(guān)信息，并將count置1?；厥眨簝H當(dāng)所有共享段的進(jìn)程都使用完之后才能進(jìn)行共享段的內(nèi)存空間回收，并撤銷(xiāo)該共享段在共享段表中的相應(yīng)表項(xiàng)。 地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)3. 分段保護(hù) 在分段存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)分段保護(hù)常用以下兩種方法。 （1）段越界檢查。由分段存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換過(guò)程可知，在邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過(guò)程中要進(jìn)行兩次地址越界檢查：第一次是通過(guò)段號(hào)和段表長(zhǎng)度進(jìn)行比較；第二次是通過(guò)段內(nèi)地址與段長(zhǎng)進(jìn)行比較。只有這兩次地址越界檢查都通過(guò)后，才實(shí)施地址轉(zhuǎn)換操作否則發(fā)出地

53、址越界中斷，這就保證了每個(gè)進(jìn)程只能在屬于自己的各內(nèi)存區(qū)間內(nèi)進(jìn)行操作或執(zhí)行。 （2）存取控制檢查。可以通過(guò)在每個(gè)進(jìn)程的段表中增設(shè)存取控制字段，來(lái)限制進(jìn)程對(duì)各段操作的權(quán)限。一般情況下，進(jìn)程對(duì)分段的操作方式有三種：只允許讀、只允許執(zhí)行和允許讀和寫(xiě)。在共享段表中就是通過(guò)設(shè)置這個(gè)存取控制字段，賦予各進(jìn)程對(duì)共享段不同的操作權(quán)限。 4.5.3 分段存儲(chǔ)管理的優(yōu)缺點(diǎn) 1分段與分頁(yè)比較 分段與分頁(yè)對(duì)程序的內(nèi)存空間都采用離散分配方式；其次，為了實(shí)現(xiàn)各自的管理它們都設(shè)置了相似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；最后，在地址轉(zhuǎn)換時(shí)都要通過(guò)地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，即分別利用段表或頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)地址的轉(zhuǎn)換。在指令執(zhí)行中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作都需要多次訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，且都

54、可以通過(guò)設(shè)置聯(lián)想存儲(chǔ)器來(lái)提高地址轉(zhuǎn)換的速度。 差異：分段是信息的邏輯單位，且分段由源程序的邏輯結(jié)構(gòu)所決定，分段是用戶(hù)的需要且用戶(hù)可見(jiàn)，段長(zhǎng)可以根據(jù)用戶(hù)需要來(lái)確定，段的起始地址可以從任何內(nèi)存地址開(kāi)始。在分段方式中，源程序中的邏輯地址（段號(hào)、段內(nèi)地址）經(jīng)連接裝配后仍然保持二維結(jié)構(gòu)。而分頁(yè)是信息的物理單位，分頁(yè)是系統(tǒng)管理內(nèi)存的需要而不是用戶(hù)的需要，即分頁(yè)與源程序的邏輯結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，且用戶(hù)也不可見(jiàn)。頁(yè)長(zhǎng)由系統(tǒng)決定，每一頁(yè)只能從頁(yè)大小的整數(shù)倍地址開(kāi)始，源程序中的邏輯地址（頁(yè)號(hào)、頁(yè)內(nèi)地址）經(jīng)連接裝配后其地址已變成了一維結(jié)構(gòu)。 4.5 分段存儲(chǔ)管理分段存儲(chǔ)管理的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）信息共享；（2）動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)；（3）

55、動(dòng)態(tài)鏈接；（4）便于實(shí)現(xiàn)存取訪(fǎng)問(wèn)控制。缺點(diǎn)：（1）分段存儲(chǔ)管理需要更多的硬件支持，增加了計(jì)算機(jī)的成本。（2）分段存儲(chǔ)管理在內(nèi)存空閑區(qū)的管理方式上與分區(qū)存儲(chǔ)管理 相同，存在著碎片（外部碎片）問(wèn)題。（3）缺段中斷處理以及允許段的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)會(huì)給系統(tǒng)增加難度和 開(kāi)銷(xiāo)。4.5 分段存儲(chǔ)管理4.6.1 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的基本原理 結(jié)合了分段存儲(chǔ)管理和分頁(yè)存儲(chǔ)管理的優(yōu)點(diǎn)，在為程序分配內(nèi)存空間時(shí)，采用的是“各段之間按分段存儲(chǔ)管理進(jìn)行，每個(gè)段的內(nèi)部則按分頁(yè)存儲(chǔ)管理進(jìn)行”。 首先根據(jù)程序自身的邏輯結(jié)構(gòu)，運(yùn)用分段存儲(chǔ)管理的思想把程序的邏輯地址空間劃分為若干個(gè)段，每個(gè)段有各自的段名或段號(hào)；然后，再運(yùn)用分頁(yè)存儲(chǔ)管理的思想，

56、在每個(gè)段內(nèi)按固定大小將該段劃分為不同的頁(yè)，每個(gè)段內(nèi)的所有頁(yè)從0開(kāi)始依次編號(hào)。內(nèi)存空間也劃分成與頁(yè)大小相等的物理塊，并對(duì)內(nèi)存中所有物理塊從0開(kāi)始依次編號(hào)。在為程序分配內(nèi)存空間時(shí)，允許以頁(yè)為單位一次性將一個(gè)程序中每個(gè)段的所有頁(yè)裝入內(nèi)存中若干不相鄰的物理塊中。4.6 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的基本原理1. 邏輯地址結(jié)構(gòu) 假定邏輯地址長(zhǎng)度為32位，若段號(hào)占8位，段內(nèi)頁(yè)號(hào)占12位，頁(yè)內(nèi)地址占12位，則一個(gè)程序最多允許有256（28）個(gè)段，每段最多允許4096（212）個(gè)頁(yè)，每頁(yè)的大小為4KB（212）。2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）段表。系統(tǒng)為每個(gè)程序建立一張段表，程序的每個(gè)段在段表中有一個(gè)段表項(xiàng)。（2）頁(yè)

57、表。系統(tǒng)為程序中的每一個(gè)段都建立一張頁(yè)表，一個(gè)段中的每個(gè)頁(yè)在該段的頁(yè)表中都有一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。4.6.2 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與特點(diǎn)1. 地址轉(zhuǎn)換 地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)首先將邏輯地址中的段號(hào)與段表控制寄存器中的段長(zhǎng)（程序中允許的最大段號(hào)）比較，若段號(hào)大于段長(zhǎng)則產(chǎn)生越界中斷；否則未越界，這時(shí)利用段表寄存器中的段表始址和段號(hào)（段表項(xiàng)的相對(duì)位移）求出該段所對(duì)應(yīng)的段表項(xiàng)在段表中的位置，找到該段表項(xiàng)后從中獲得該段的頁(yè)表在內(nèi)存中存放的起始地址（頁(yè)表始址）和頁(yè)表長(zhǎng)度。若邏輯地址中的段內(nèi)頁(yè)號(hào)（頁(yè)號(hào)）大于該段表項(xiàng)中的頁(yè)表長(zhǎng)度（該段所允許的最大頁(yè)號(hào)），則產(chǎn)生頁(yè)越界中斷；否則，在該頁(yè)表中由頁(yè)表始址和邏輯地址中的段內(nèi)頁(yè)號(hào)（頁(yè)表

58、項(xiàng)的相對(duì)位移）獲得該頁(yè)的頁(yè)表項(xiàng)位置，并從該頁(yè)表項(xiàng)中獲得該頁(yè)所存放的內(nèi)存物理塊號(hào)，最后將物理塊號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址拼接（由物理塊號(hào)替換邏輯地址中的段內(nèi)頁(yè)號(hào)）形成要訪(fǎng)問(wèn)的物理地址。4.6 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與特點(diǎn)段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換過(guò)程 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與特點(diǎn)例：下圖給出了一種段頁(yè)式管理配置方案，一頁(yè)的大小為1KB，根據(jù)地址轉(zhuǎn)換過(guò)程，求出邏輯地址所對(duì)應(yīng)的物理地址。141024+237=14573 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換與特點(diǎn)2. 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）因?yàn)橐皂?yè)為單位分配內(nèi)存所以無(wú)緊湊問(wèn)題，也不存在外部碎片。（2）便于處理變化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，段可以動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)。（3）

59、便于共享，只需將程序的段表中相應(yīng)表項(xiàng)指向該共享段在內(nèi)存中的頁(yè)表始址即可。（4）因具有段的特點(diǎn)，所以便于提供動(dòng)態(tài)鏈接。（5）因具有段的特點(diǎn)，所以便于控制存取訪(fǎng)問(wèn)。缺點(diǎn)：（1）增加了硬件成本，需要更多的硬件支持。（2）增加了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)和軟件復(fù)雜性，如地址重定位過(guò)程需多次訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存。（3）空間浪費(fèi)比分頁(yè)管理多，程序各段的最后一頁(yè)都有可能浪費(fèi)一部分空間（仍然存在內(nèi)部碎片），另外段表和頁(yè)表所占的空間都比分頁(yè)管理和分段管理多。4.7.1 虛擬存儲(chǔ)器的概念一次性：指進(jìn)程在執(zhí)行前必須將它所有的程序和數(shù)據(jù)全部裝入內(nèi)存。駐留性：指程序和數(shù)據(jù)一旦裝入內(nèi)存后就一直在內(nèi)存中存放，直到進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束。時(shí)間局部性：如果程序中某條

60、指令一旦執(zhí)行，則不久的將來(lái)該指令可能會(huì)再次執(zhí)行；如果某個(gè)存儲(chǔ)單元被訪(fǎng)問(wèn)，則不久以后該存儲(chǔ)單元可能再次被訪(fǎng)問(wèn)。產(chǎn)生時(shí)間局部性的典型原因是在程序中存在著大量的循環(huán)操作。空間局部性：一旦程序訪(fǎng)問(wèn)了某個(gè)存儲(chǔ)單元，則在不久的將來(lái)，與該存儲(chǔ)單元鄰近的那些存儲(chǔ)單元也最有可能被訪(fǎng)問(wèn)；即程序在一段時(shí)間內(nèi)所訪(fǎng)問(wèn)的地址可能集中在一定的范圍內(nèi)。虛擬存儲(chǔ)器：具有自動(dòng)實(shí)現(xiàn)部分裝入和部分對(duì)換的功能，僅將進(jìn)程的一部分裝入內(nèi)存即可運(yùn)行；從邏輯上講，是對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)充的一種虛擬的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。虛擬存儲(chǔ)器的邏輯容量由內(nèi)存和外存容量之和決定，其運(yùn)行速度接近于內(nèi)存速度，而存儲(chǔ)信息的成本接近于外存。4.7 虛擬存儲(chǔ)管理 虛擬存儲(chǔ)器的概念