【正文】 緩存 本節(jié)學習目標 ：掌握存儲器的層次結構；了解主存、 寄存器、高速緩存、磁盤緩存的概念及作用 返回 2022/2/17 7 多級存儲器結構 P116 ? 存儲層次： CPU寄存器；主存；輔助存儲器 ? 輔助存儲器包括：磁盤；可移動存儲介質 ? 主存包括：高速緩存；主存；磁盤緩存 2022/2/17 8 存儲器層次： 寄存器 主存 輔助存儲器 主存（內存） 高速緩存 磁盤緩存 2022/2/17 9 主存儲器與寄存器 （簡稱主存或內存） 定義：是由存儲單元（字節(jié)或字）組成的一維連續(xù)的 地址空間，簡稱內存空間。 概 述 2022/2/17 39 作業(yè)要求的基本內存空間是在目標模塊裝入內存時分 配的，但在作業(yè)運行過程中，允許作業(yè)申請附加的內 存空間，或是在內存中移動，即分配工作可以在作業(yè) 運行前及運行過程中逐步完成。 缺點： 使存儲器中缺乏大的空閑分區(qū)。 若選擇的頁面較小 :一方面 可使內存碎片小，并減少了 內存碎片的總空間，有利于提高內存利用率； 若選擇的頁面較大，則正好與上述相反。 為了提高地址變換速度，可在地址變換機構中，增設一 個特殊高速緩沖存儲器，又稱為 “ 聯想存儲器 ” ,或稱為 “ 快表 ” . 2022/2/17 95 具有快表的地址變換機構 ? 地址變換過程： ? 在 CPU給出有效地址后，地址變換機構自動地將頁號送入高速緩存，確定所需要的頁是否在快表中。 系統為每個進程建立一張段映射表，簡稱 “段表” 段表可放在一組寄存器中，但通常放在內存中。 以 CPU時間和外存空間換取昂貴內存空間，這是操作系統中的資源轉換技術 2022/2/17 133 實現 思 想：當進程運行時，先將一部分程序裝入內存，另一部分暫時留在外存，當要執(zhí)行的指令不在內存時，由系統自動完成將它們從外存調入內存工作 3. 虛擬存儲器的定義 目的：提高內存 利用率 虛擬存儲器（簡稱虛存）描述：把內存與外存有機 的結合起來使用，從而得到一個容量很大的“內存”， 這就是虛存 2022/2/17 134 所謂虛擬存儲器 ， 是指具有 請求調入功能 和 置換功能 ，能從邏輯上對內存容量進行擴充 的一種存儲器系統。 1 2 3 4 5 6 B: A: Copy A To B 涉及 6次 缺頁中斷 的指令 2022/2/17 149 缺頁中斷處理 是 否 否 是 是 否 產生缺頁中 否 是 斷請求調頁 是 開始 （ 程序請求訪問一頁 ) 越界中斷 CPU檢索快表 頁表項是否在快表中 ？ 訪問頁表 頁是否在內存中 ？ 修改快表 修改訪問位和修改位 形成物理地址 地址變換結束 保留 CPU現場 從外存中找到缺頁 頁號 頁表長度 ？ 內存滿否 ？ 選擇一頁換出 該頁是否被修改 ？ 將該頁寫回外存 將一頁從外存換入內存 修改頁表 CPU從外存讀缺頁 啟動 I/O硬件 地址變換機構 2022/2/17 150 在為進程分配物理塊時，涉及到三個問題 ： 內存分配策略和分配算法 （ 3）物理塊的分配算法 （ 2）物理塊的分配策略 （ 1）為保證進程正常運行所需的最少物理塊數的確定； 2022/2/17 151 1. 最小物理塊 最小物理塊 是指能保證進程正常運行所需的最少物理 塊數。 【 例 1】 2022/2/17 167 FIFO算法性能分析（ m=3） 從圖可以看出，缺頁中斷頁數為 9次，缺頁率 f=9/12=75%。 返回 問題：哪種編制方法能減少缺頁次數 答案：方法 2 2022/2/17 185 請求分段存儲管理方式 為了能實現虛擬存儲，段式邏輯地址空間中的程序段在運行時并不全部裝入內存，而是如同請求式分頁存儲管理，首先調入一個或若干個程序段運行，在運行過程中調用到哪段時，就根據該段長度在內存分配一個連續(xù)的分區(qū)給它使用。 2022/2/17 175 Clock置換算法 P153 Clock置換算法 (最近未用算法 NRU) 思想 :為每頁設置一訪問位 ,將內存中的所有頁面鏈成 一個循環(huán)隊列 .當某頁被訪問時 ,訪問位置 訪問位是 0的置換出 . 2022/2/17 176 2. 改進型 Clock置換算法 四種頁面的組合 : 1類 (A=0,M=0) 2類 (A=0,M=1) 3類 (A=1M=0) 4類 (A=1,M=1) 2022/2/17 177 執(zhí)行步驟 : 第一步 :尋找 A=0且 M=0的第一類頁面 . 在第一次掃描期間不改變訪問位 A. 第二步 :尋找 A=0且 M=1的第二類頁面 . 在第二次掃描期間把所有掃描過的頁面的訪問位 都置 0 . 第三步 :從頭開始 ,將所有的訪問位復 0,重復第一步或 第二步 . 2022/2/17 178 其它置換算法 （ LFU)置換算法 基本思想： 為在內存中的每個頁面設置一個移位寄存器，用來 記錄該頁面被訪問的頻率。 9/20=45% 2022/2/17 164 (FIFO)頁面置換算法 這種算法的基本思想是：總是先淘汰那些駐留在 內存時間最長的頁面，即先進入內存的頁面先被 置換掉。 其基本作用是將用戶地址空間中的邏輯地址變換為內存 空間的物理地址。 （ 4）程序中還包括許多對數據結構的處理，它們往往都 局限于很小的范圍內。 2022/2/17 109 1）用戶程序劃分 按程序自身的邏輯關系劃分為若干個程序段，每個程序段都有一個段名，且有一個段號。 ? 如未出現越界，則根據頁表寄存器中的頁表始址和頁號計算出該頁在頁表項中的位置，得到該頁的物理塊號，將此物理塊號裝入物理地址寄存器中。 其次選擇優(yōu)先級低的就緒進程 選出被換出的進程 : 返回 2022/2/17 78 基本分頁存儲管理方式 P130 概 述 離散分配方式的提出：減少碎片；減少因緊湊而造 成的系統開銷 ?分頁存儲管理 ?段頁式存儲管理 ?分段存儲管理 離散分配方式： 2022/2/17 79 本節(jié)主要內容： 頁面與頁表 地址變換機構 兩級和多級頁表 2022/2/17 80 本節(jié)學習目標： 理解并掌握頁面、物理塊的定義； 理解分頁地址中的地址結構并會求頁號和頁內位移； 熟練掌握基本的地址變換機構的變換過程； 掌握具有快表的地址變換機構的變換過程； 了解兩級和多級頁表； 返回 2022/2/17 81 頁面與頁表 在分頁存儲管理方式中，將一個進程的邏輯地址空間分 成若干個大小相等的片，稱為 頁面或頁 。 該算法將空閑分區(qū)按其大小以遞增的順序形成一空閑 分區(qū)鏈。 可重定位裝入方式存在的問題：不允許程序運行時在 內存中移動位置。 內存可以分為： 系統區(qū)：用于存放操作系統常駐內存部分 用戶區(qū)：用于裝入并存放用戶程序和數據 作用： 用來存放當前正在運行程序的代碼及數據 注意： CPU只能直接訪問主存 2022/2/17 10 存儲管理目的 充分利用內存，為多道程序并發(fā)執(zhí)行提供存儲基礎 盡可能方便用戶使用 自動裝入用戶程序 用戶程序中不必考慮硬件細節(jié) 系統能夠解決程序空間比實際內存空間大的問題 2022/2/17 11 程序在執(zhí)行時可以動態(tài)伸縮 內存存取速度快 存儲保護與安全 共享與通信 了解有關資源的使用狀況 2022/2/17 12 存儲管理的任務 內存空間的管理、分配與回收 存儲共享 存儲保護與安全 4 、內存“擴充” 5 、地址映射（地址重定位） 2022/2/17 13 地址映射（地址重定位，地址變換 ） (1) 邏輯地址（相對地址，虛地址） (2) 物理地址（絕對地址，實地址） (3) 地址映射 2022/2/17 14 內存空間（或物理空間） 內存是由若干個存儲單元組成的，每個存儲單元有一個編號，這種編號可唯一標識一個存儲單元，稱為內存地址（或物理地址）。 內存分配續(xù) : （ 2）動態(tài)存儲分配 2022/2/17 40 內存分配 連續(xù)分配方式 離散分配方式 分區(qū)分配 固定分區(qū)分配 動態(tài)分區(qū)分配 可重定位分區(qū)分配 基本分頁存儲管理方式 基本分段存儲管理方式 段頁式存儲管理方式 請求分頁存儲管理方式 請求分段存儲管理方式 特點： 一次性 駐留性 2022/2/17 41 連續(xù)分配是指為一個用戶程序分配一個連續(xù)的內存空間 。 2022/2/17 60 最壞適應算法的空閑分區(qū)鏈表組織形式 2022/2/17 61 (5) ? 前面的幾種算法稱為順序搜索法。 頁面的大小一般為 512B~8KB 2)頁面大小 但 另一方面 ，也會使每個進程要求較多的頁面，從而 導致頁表過長，占用大量內存；此外，還會降低頁面 換進換出的效率。 ? 若是，則直接讀出該頁所對應的物理塊號，送入物理地址寄存器； ? 若在快表中未找到對應的頁表項，則需再訪問內存中的頁表，找到后，把從頁表中讀出的頁表項存入快表中的一個寄存器單元中，以取代一個舊的頁表項。 2022/2/17 114 段表： 它記錄了段號，段的首（地）址和長度之間的關系 每一個程序設置一個段表，放在內存 屬于進程的現場信息 段號 0 1 2 段首址 段長度 58K 20K 100K 110K 260K 140K 2022/2/17 115 段號 段長 基址 0 1 2 3 30K 40K 20K 80K 15K 120K 10K 150K 段 表 作業(yè)空間 (MAIN)=0 0 30 (X)=1 0 20 (D)=2 0 15 30K 20K 15K 40 80 120 內存空間 2022/2/17 116 首次適應； 最佳適應； 最壞適應 內存的分配算法： 2022/2/17 117 3. 地址變換機構 控制寄存器 段表始址 段表長度 2 100 有效地址 段號 S 位移量 W 越界 + 2 500 8K + 8292 物理地址 8K 8292 8792 8 1024+100 2022/2/17 118 優(yōu)點： 便于動態(tài)申請內存 管理和使用統一化 便于共享 便于動態(tài)鏈接 缺點：產生碎片 課后思考題：與可變分區(qū)存儲管理方案的相同 點與不同點？ 2022/2/17 119 相同點： 都采用離散分配方式，都通過地址映射機構 來實現地址變換。 定 義 2022/2/17 135 虛擬存儲器的邏輯容量由內存容量和外存容量之和決定， 其運行速度接近于內存速度，而成本接近于外存。 若系統為某進程所分配的物理塊數少于此值時， 進程將無法運行，這取決于指令的格式、功能 和尋址方式。 2022/2/17 168 ?設 m=4， 仍采用 FIFO算法 ， 缺頁中斷次數及缺頁率 如下圖 所示 。若內存中沒有足夠大的空閑分區(qū)，則考