【導(dǎo)讀】存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。機(jī)系統(tǒng)作用的發(fā)揮。本章將主要介紹幾種常用的存儲(chǔ)管理方法，如分區(qū)存儲(chǔ)管理、頁(yè)式存。儲(chǔ)管理、段式存儲(chǔ)管理、段頁(yè)式存儲(chǔ)管理和虛擬存儲(chǔ)器等理和實(shí)現(xiàn)方法。相應(yīng)的硬件支持和軟件支持。數(shù)據(jù)；用戶區(qū)主要用來(lái)存放用戶的程序和數(shù)據(jù)。的作業(yè)，因此，操作系統(tǒng)必須對(duì)有限的存儲(chǔ)器進(jìn)行有效的管理，以提高系統(tǒng)的利用率。存儲(chǔ)管理的主要任務(wù)是為用戶提供方便的、安全的和充分大的存儲(chǔ)空間。能更好地為多個(gè)用戶程序服務(wù)。用來(lái)保存每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為。源程序經(jīng)過(guò)編譯或是匯編以后，形成了一系列機(jī)器指令組成的集合，被稱為目標(biāo)程序，相對(duì)地址的集合稱為相對(duì)地址空間，簡(jiǎn)稱地址空間。目標(biāo)程序最后要被裝入系統(tǒng)內(nèi)存，才能真正執(zhí)行。有關(guān)地址進(jìn)行修改，將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。這種由于用戶程序裝入內(nèi)存而引起的地址空間

　　

【正文】 起始地址、狀態(tài)標(biāo)志等。段號(hào)是對(duì)作業(yè)中所有段的編號(hào)，段長(zhǎng)是該段存儲(chǔ)空間的大 小，其長(zhǎng)度可變，內(nèi)存起始地址是該段在內(nèi)存中的實(shí)際物理地址，也是地址變換作為依據(jù) 的基準(zhǔn)，狀態(tài)標(biāo)記是指該段是否已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存，是否具有某種訪問(wèn)權(quán)限等。 3. 地址轉(zhuǎn)換 為實(shí)現(xiàn)從進(jìn)程的邏輯地址到物理地址的變換功能，在存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中設(shè)置了段表寄存 器，用于存放段表的始址和段表長(zhǎng)度。在進(jìn)行地址變換時(shí)，系統(tǒng)將段號(hào)與段表長(zhǎng)度進(jìn)行比 較，若段號(hào)太大表示訪問(wèn)越界，便產(chǎn)生越界中斷信號(hào)。若未越界，則根據(jù)段表的始址和該 段的段號(hào)，計(jì)算出該段對(duì)應(yīng)的段表項(xiàng)的位置，從中讀出該段在內(nèi)存的起始地址，然后再檢 查段內(nèi)地址是否超過(guò)該段的段長(zhǎng)，若超過(guò)，同樣發(fā)生越界中斷信號(hào)。若未越界，則將該段 的起始地址與段內(nèi)地址相加得到訪問(wèn)的內(nèi)存物理地址。圖 表示分段系統(tǒng)的地址變換 過(guò)程。 段 表控制寄存器 段表長(zhǎng)度 段表起始地址 2 邏輯地址 452 操作系統(tǒng) 2KB 始址 16 384 8 192 32 768 段表 長(zhǎng)度 s p l + 32KB 33 220 絕對(duì)地 33 220 DATA 主存 圖 段式管理地址變換 與頁(yè)式管理相同，段式管理的一次訪問(wèn)內(nèi)存也必須經(jīng)過(guò)兩次以上訪問(wèn)內(nèi)存的操作。為 了提高訪問(wèn)速度，也需要將高速相聯(lián)存儲(chǔ)器引入，把部分段表存入其中，形成段式快表。 地址轉(zhuǎn)換時(shí)，先查快表，若快表命中，則立即形成絕 對(duì)地址，否則再通過(guò)段表進(jìn)行慢地址 翻譯，并將該段信息填入快表中。 4. 分段式存儲(chǔ)管理中的共享和保護(hù) 如果用戶作業(yè)需要共享內(nèi)存中的某段程序或數(shù)據(jù)，只要用戶使用相同的共享段名，那 么系統(tǒng)在建立段表時(shí)，只需在相應(yīng)的段表欄目上填入已在內(nèi)存中的段的始址和長(zhǎng)度，即可 ?91 ?92 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理教程與實(shí)訓(xùn) 實(shí)現(xiàn)段的共享，從而提高系統(tǒng)主存的利用率。 在實(shí)現(xiàn)段的共享時(shí)，必須采取一定的保護(hù)措施。可在段表中增設(shè)一個(gè)存取權(quán)限域，存 取權(quán)限可分為：只執(zhí)行 (共享程序段 )、只讀 (共享數(shù)據(jù)段 )和可讀 /寫 (私人段 )。訪問(wèn)段時(shí)，通 過(guò)存取權(quán)限核對(duì)，即可實(shí)現(xiàn)存取保護(hù)。此外，在地址轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)段表中的長(zhǎng)度信息，將 長(zhǎng)度與段內(nèi)地址比較，就可進(jìn)行地址越界保護(hù)。 由上面的介紹可以看出段式與頁(yè)式管理很相似，但必須注意這 兩者在概念上的 同。 分段是信息的邏輯單位，它含有一組具有相對(duì)完整意義的信息，是出于用戶的需要，對(duì)用 戶是可見的。段的長(zhǎng)度 固定，由用戶在編程時(shí)確定，或由編譯程序在對(duì)源程序進(jìn)行編 譯時(shí)，根據(jù)信息的性質(zhì)來(lái)劃分。而分頁(yè)是信息的物理單位，分頁(yè)僅僅是由于系統(tǒng)管理的需 要，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是 可見的，頁(yè)的大小是事先固定的。分頁(yè)地址空間是一維的，而分段是二 維的。 5. 段式管理的優(yōu)缺點(diǎn) 與頁(yè)式管理和分區(qū)管理相比較段式管理有如下優(yōu)點(diǎn)。 (1) 與請(qǐng)求頁(yè)式管理一樣，段式虛擬存儲(chǔ)管理提供 了內(nèi)外存統(tǒng)一管理的虛擬存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn) 方案。 同的是，段式虛存每次交換的是一個(gè)程序段或數(shù)據(jù)段。 (2) 在段式管理中，段長(zhǎng)可根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)增長(zhǎng)。 (3) 段式管理便于對(duì)具有完整邏輯功能的信息段進(jìn)行共享。 (4) 便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏈接。由于每一段是一組具有邏輯意義的信息或具有獨(dú)立功能的程 序段，而且段的地址空間是二維的，因此可以在作業(yè)運(yùn)行的過(guò)程中，在調(diào)用到一個(gè)程序段 或數(shù)據(jù)段時(shí)，再進(jìn)行鏈接。 段式管理的主要缺點(diǎn)如下。 (1) 段式管理較其他幾種管理方式要求更多的硬件支 ，這就增加了系統(tǒng) 的開銷。 (2) 段式管理在內(nèi)存空閑區(qū)管理方式上與分區(qū)管理相同，因而存在 碎片 問(wèn)題，內(nèi) 存利用率比頁(yè)式管理差。 (3) 每段的長(zhǎng)度受內(nèi)存可用空間區(qū)大小的限制。 (4) 和頁(yè)式管理一樣，若選擇淘汰段的算法 當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。 段頁(yè)式管理 將分段和分頁(yè)兩種存儲(chǔ)管理方式結(jié)合起來(lái)，就形成了段頁(yè)式存儲(chǔ)管理。這種方式可以 進(jìn)行雙方的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既提高了內(nèi)存利用率，又方便了用戶。 段頁(yè)式管理的作業(yè)地址空間也是二維的、按段劃分的。但在段中再劃分成若干大小相 同的頁(yè)。這 樣，地址結(jié)構(gòu)就由段號(hào)、段內(nèi)頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移 (即位移量 )三部分組成，如圖 所示。 0 31 段號(hào) 圖 12 13 段內(nèi)頁(yè)號(hào) 19 20 頁(yè)內(nèi)偏移 段頁(yè)式管理中的地址結(jié)構(gòu) 用戶使用的仍是段號(hào)和段內(nèi)相對(duì)地址，由地址變換機(jī)構(gòu)自動(dòng)將段內(nèi)相對(duì)地址的高幾位 ?92 第 4 章 存儲(chǔ)器管理 ?93 解釋為段內(nèi)頁(yè)號(hào)，將剩余的低位解釋為頁(yè)內(nèi)相對(duì)地址。這樣，作業(yè)地址空間的最小單位就 再是段，而是頁(yè)，因此內(nèi)存也可以按頁(yè)劃分、按頁(yè)裝入，從而一個(gè)段可以裝入到若干個(gè) 連續(xù)的頁(yè)面內(nèi)，段的大小也 再受內(nèi)存可用區(qū)的限制了。 段頁(yè)式管理中采用每個(gè)作業(yè)一張段表，此外，每個(gè)段又建立一張頁(yè)表，段表中的地址 是頁(yè)表的起始地址，而頁(yè)表中的地址則為頁(yè)面號(hào)，這樣，它們的互相關(guān)系就成為一種鏈接 結(jié)構(gòu)，如圖 所示。 段表 段號(hào) 頁(yè)表長(zhǎng) 頁(yè)表始址 0 段頁(yè)表 頁(yè)號(hào) 頁(yè)面號(hào) 0 段 1 段 2 段 0 頁(yè) 1 頁(yè) 1 段頁(yè)表 頁(yè)號(hào) 頁(yè)面號(hào) 0 頁(yè) 1 頁(yè) 圖 段頁(yè)式存儲(chǔ)系統(tǒng)的段表與頁(yè)表 在進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)，根據(jù)邏輯地址中的段號(hào)檢查段表得到相應(yīng)段的頁(yè)表始址，然后根 據(jù)頁(yè)號(hào)查頁(yè) 表得到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存頁(yè)面號(hào)，由頁(yè)面號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移就可形成欲訪問(wèn)的絕對(duì)地址。 由此可看出，要存取一次信息，必須經(jīng)歷 3 次訪問(wèn)內(nèi)存操作，一次訪問(wèn)段表，一次訪問(wèn)頁(yè) 表，最后才能按絕對(duì)地址存取信息，這樣就降低了指令執(zhí)行的速度。為了提高執(zhí)行速度， 也采用聯(lián)想存儲(chǔ)器來(lái)存放快表，快表中應(yīng)指出段號(hào)、頁(yè)號(hào)和主存頁(yè)面號(hào)。有快表后的地址 轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖 所示。 綜合分段分頁(yè)技術(shù)，我們知道：段是信息的邏輯單位，頁(yè)是信息的物理單位，分段式 存儲(chǔ)管理的作業(yè)地址空間是二維的，而分頁(yè)式存儲(chǔ)管理的作業(yè)地址空間是一維的。段的長(zhǎng) 度是 固定的，而頁(yè)的長(zhǎng)度是等長(zhǎng)的。它雖然增加了硬件成本和系統(tǒng)開銷，但在方便用戶 和提高存儲(chǔ)利用率上很好地實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)管理的目標(biāo)。 虛擬存儲(chǔ)管理 虛擬存儲(chǔ)管理在本章第一節(jié)中已經(jīng)作過(guò)簡(jiǎn)單介紹，本節(jié)中作進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。 本章前面幾節(jié)介紹了存儲(chǔ)管理方式中的單一連續(xù)存儲(chǔ)管理、分區(qū)存儲(chǔ)管理還有靜態(tài)頁(yè) 存儲(chǔ)管理方式，這些管理方式的一個(gè)共同特點(diǎn)就是都需要將程序一次性裝入內(nèi)存。這樣， 如果作業(yè)很大，其所要求的內(nèi)存空間超過(guò)當(dāng)前內(nèi)存空間總和的話，作業(yè) 能被一次性地裝 ?93 ? ? ? ?94 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理教程與實(shí)訓(xùn) 入內(nèi)存，致使作業(yè)無(wú)法執(zhí)行。另外，當(dāng)要運(yùn)行的作業(yè)很多，而內(nèi)存空間 足的話，只能讓一 部分作業(yè)運(yùn)行，大量作業(yè)只能在外存中等待。為了解決內(nèi)存 足的情況，我們可以在物理 上和邏輯上都擴(kuò)充內(nèi)存容量。虛擬存儲(chǔ)器就是使用虛擬技術(shù)從邏輯上對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)充。 采用動(dòng)態(tài)頁(yè)式存儲(chǔ)管理和段式存儲(chǔ)管理方式時(shí)，僅在需要時(shí)才把部分程序或數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存， 其他 經(jīng)常 被訪問(wèn)的程序段和數(shù)據(jù)放在外存中，待需要訪問(wèn)時(shí)，再將它們調(diào)入內(nèi)存并為其 申請(qǐng)內(nèi)存空間，這樣，操作系統(tǒng)通過(guò)請(qǐng)求調(diào)入和替換功能對(duì)內(nèi)外存進(jìn)行統(tǒng)一管理，為用戶 提供了一種宏觀上似乎比實(shí)際內(nèi)存容量大得多的存儲(chǔ)器，這個(gè)虛擬的大存儲(chǔ)器稱為虛擬存 儲(chǔ)器。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)多與動(dòng)態(tài)分頁(yè)、段式和段頁(yè)式管理配合使用，這將在本節(jié)中詳細(xì)介紹。 段表 段號(hào) 頁(yè)表長(zhǎng) 頁(yè)表始址 i 段頁(yè)表 頁(yè)號(hào) 頁(yè)面號(hào) 0 段 ? i 段 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? P ? 0 頁(yè) j 頁(yè) 絕對(duì)地址 主存 p s + 邏輯地址 i 快表 段號(hào) 頁(yè)號(hào) 頁(yè)面號(hào) j s ? i ? ? j ? ? P ? 圖 虛擬存儲(chǔ)的基本概念 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)地址轉(zhuǎn)換 1. 局部性原理 作業(yè)在運(yùn)行時(shí)如果一次性裝入內(nèi)存，那么在運(yùn)行的過(guò)程中便一直駐留內(nèi)存直到作業(yè)運(yùn) 行結(jié)束，盡管運(yùn)行中的進(jìn)程會(huì)因 I/O 而長(zhǎng)期等待，或有的程序運(yùn)行一次后，就 再需要運(yùn) 行了，然而它們都將繼續(xù)占據(jù)寶貴的內(nèi)存資源，這就是所謂的駐留特性。一 次性和駐留性， 會(huì)使許多在進(jìn)程運(yùn)行時(shí) 用的或暫時(shí) 用的程序 (數(shù)據(jù) )占據(jù)了大量的內(nèi)存空間，而使一些 需要運(yùn)行的作業(yè)無(wú)法裝入運(yùn)行。這樣，將嚴(yán)重地降低內(nèi)存的利用率，從而顯著地減少了系 統(tǒng)吞吐量。 研究表明，程序在執(zhí)行過(guò)程中呈現(xiàn)局部性規(guī)律。即在一較短的時(shí)間里，程序的執(zhí)行僅 局限在某個(gè)部分，相應(yīng)地，它訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間也局限在某個(gè)區(qū)域。即程序?qū)?nèi)存的訪問(wèn)是 均勻的，表現(xiàn)在時(shí)間與空間兩方面。 (1) 時(shí)間局部性。一條指令被執(zhí)行后，可能很快會(huì)再次被執(zhí)行。程序設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用 的循環(huán)子程序、堆棧、計(jì) 數(shù)或累計(jì)變量等程序結(jié)構(gòu)都能反映時(shí)間的局部性。 (2) 空間局部性。若某一存儲(chǔ)單元被訪問(wèn)，那么與該存儲(chǔ)單元相鄰的單元可能也會(huì)很 ?94 第 4 章 存儲(chǔ)器管理 ?95 快被訪問(wèn)。程序代碼的順序執(zhí)行對(duì)線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問(wèn)或處理以及程序中往往把常用變量 存放在一起等都能反映出空間局部性。 換句話說(shuō)， CPU 總是集中地訪問(wèn)程序中的某一個(gè)部分而 是隨機(jī)地對(duì)程序所有部分具 有平均訪問(wèn)的概率。由程序的局部性，人們認(rèn)識(shí)到一個(gè)程序特別是一個(gè)大型程序的一部分 裝入內(nèi)存是可以運(yùn)行的。局部性原理使得虛擬存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。 根據(jù)程序局部性原理和上述事實(shí)，說(shuō)明沒有 必要一次性把整個(gè)程序全部裝入內(nèi)存后再 開始運(yùn)行，在程序執(zhí)行過(guò)程中其某些部分也沒有必要從開始到結(jié)束一直都駐留在內(nèi)存，而 且，程序在內(nèi)存空間中沒有必要完全連續(xù)存放，只要局部連續(xù)便可。也就是，我們可以把 一個(gè)程序分多次裝入內(nèi)存，每次裝入當(dāng)前運(yùn)行需要使用的部分 —— 多次性；在程序執(zhí)行過(guò) 程中，可以把當(dāng)前暫 使用的部分換出內(nèi)存，若以后需要時(shí)再換進(jìn)內(nèi)存 —— 交換性 (即非駐 留性 )；程序在內(nèi)存中可分段存放，每一段是連續(xù)的 —— 離散性。 2. 虛擬存儲(chǔ)器定義 當(dāng)用戶作業(yè)要求的存儲(chǔ)空間很大， 能被裝入內(nèi) 存時(shí)，基于局部性原理，系統(tǒng)可以把 當(dāng)前要用的程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存并啟動(dòng)程序運(yùn)行，而暫時(shí) 用的程序和數(shù)據(jù)駐留在外存中。 在執(zhí)行中需要用到 在內(nèi)存中的信息時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)入、調(diào)出功能和置換功能將暫時(shí) 用的程序和數(shù)據(jù)調(diào)出內(nèi)存，騰出內(nèi)存空間讓系統(tǒng)調(diào)入要用的程序和數(shù)據(jù)。這樣，系統(tǒng)便能 很好地運(yùn)行該用戶作業(yè)了。因此，所謂虛擬存儲(chǔ)器，是指具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能， 對(duì)內(nèi)外存進(jìn)行統(tǒng)一管理 ,能從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)。從用戶角度上 看，系統(tǒng)具備了比實(shí)際內(nèi)存容量大得多的存儲(chǔ)器，人們把這 樣的存儲(chǔ)器稱為虛擬存儲(chǔ)器。 虛擬存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)管理的核心概念。由于內(nèi)存價(jià)格較高， 可能一味的擴(kuò)充內(nèi)存空間 來(lái)滿足用戶程序的需要。采用了虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，使得存儲(chǔ)空間的邏輯容量可以由內(nèi)存 和外存容量結(jié)合起來(lái)，其運(yùn)行接近內(nèi)存的速度，成本卻沒有大的增加。可見虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 是一種性能非常優(yōu)越的存儲(chǔ)器管理技術(shù)，故被廣泛地應(yīng)用于大、中、小型機(jī)器和超級(jí)微型 機(jī)中。 3. 虛擬存儲(chǔ)器的特征 (1) 多次性。多次性是指用戶程序在運(yùn)行前，并 是一次將全部?jī)?nèi)容裝入到內(nèi)存中， 而是在程序的運(yùn)行過(guò)程中，系 統(tǒng) 斷地對(duì)程序和數(shù)據(jù)部分地調(diào)入、調(diào)出，完成程序的多次 裝入工作。 (2) 對(duì)換性。程序在運(yùn)行期間，允許將暫時(shí) 用的程序和數(shù)據(jù)調(diào)出內(nèi)存 (換出 )，放入外 存的對(duì)換區(qū)中，待以后需要時(shí)再將它調(diào)入內(nèi)存中 (換入 )，這便是虛擬存儲(chǔ)器的換入、換出 操作，即對(duì)換性。 虛擬存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn) 虛擬存儲(chǔ)是建立在離散存儲(chǔ)管理的基礎(chǔ)上的。因?yàn)樘摂M存儲(chǔ)的多次性特性允許將一個(gè) 程序或數(shù)據(jù)分多次調(diào)入內(nèi)存。顯然連續(xù)分配中的單一連續(xù)存儲(chǔ)管理以及分區(qū)管理都無(wú)法實(shí) 現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)。而采用離散存儲(chǔ)管理方式比如 請(qǐng)求頁(yè)式管理和段式管理時(shí)，僅在需要調(diào)入某 部分程序或數(shù)據(jù)時(shí)，才為其申請(qǐng)內(nèi)存空間，這樣就 會(huì)造成對(duì)內(nèi)存的浪費(fèi)。這就是把虛擬 存儲(chǔ)器建立在離散分配基礎(chǔ)上的原因。通常，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)多與動(dòng)態(tài)分頁(yè)、段式和段頁(yè)式 ?95 ?96 管理配合使用。 1. 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理 計(jì)算