第四章存储器管理-2讲义课件

离散分配方式基本思想：将一个进程分散的装入不相邻的分区中。基本思想：将一个进程分散的装入不相邻的分区中。离散分配的基本单位是离散分配的基本单位是页页，则称为，则称为分页存储管理方分页存储管理方式式；如果如果离散分配的基本单位是离散分配的基本单位是段段，则称为，则称为分段存储管分段存储管理方式理方式。4.5 分页存储管理分页存储管理方式方式1、页面和物理块、页面和物理块 将将一个进程的一个进程的逻辑地址空间逻辑地址空间分成若干个分成若干个大小大小相等的片相等的片，称为，称为页面或页页面或页，并为各页编，并为各页编号，从号，从0 0开始，如第开始，如第0 0页、第页、第1 1页等。页等。把把内存空间内存空间分成与页面分成与页面相同大小相同大小的若干个的若干个存储块，称为块或页框，也加以编号，如存储块，称为块或页框，也加以编号，如0#0#、1#1#块等。块等。以块为单位将进程中的若干个页分别装以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。入到多个可以不相邻接的物理块中。页内碎片内碎片 由于进程的最后一页经常不满一块而形成可不可利用的碎片，称之为“页内碎片页内碎片”。页面大小通常1KB8KB页面太小：页内碎片小，提高内存利用率，但页表过长，占内存；降低对换效率。页面太大：提高了对换速度。但页内碎片大，降低了内存利用率。2、地址结构页号页号P位移量位移量W0111231位移量位移量W又称页内地址：又称页内地址：每页大小：每页大小：212=4KB地址空间中最多有：地址空间中最多有：220=1M页页例：页号页号P位移量位移量W091015每页大小：每页大小：210=1KB地址空间中最多有：地址空间中最多有：26=64页页逻辑地址逻辑地址A页面大小页面大小L页号页号P页内地址页内地址d页面大小页面大小L逻辑地址逻辑地址A0则：则：P=A/L d=AMOD L例如：例如：逻辑地址逻辑地址A=2170B，页面大小，页面大小L=1KB。求页号及页内。求页号及页内地址。地址。解解:页号页号P=A/LP=A/L=2页内地址页内地址d=AMOD L=122d=AMOD L=1223、页表表 系统系统为了能在内存中找到为了能在内存中找到每个页面每个页面对应的对应的物理物理块块而为进程建立的一张页面映像表，简称而为进程建立的一张页面映像表，简称页表页表。页表作用：实现从页表作用：实现从页号页号到到物理块号物理块号的地址映射。的地址映射。0页页1页页2页页3页页4页页n页页用户程序用户程序0 02 21 13 32 26 63 38 84 49 9页表页表0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 9内存内存页号页号 块号块号页表表页表表项中常设有项中常设有存取控制字存取控制字段段，对存，对存储块中内容加以保护。储块中内容加以保护。一位：一位：允许允许读读/写写 只读只读两两位：位：允许读允许读/写写 只读只读只执行只执行页页表表由由一一组组专专门门的的寄寄存存器器来来实实现现,一一个个页表项用一个寄存器。页表项用一个寄存器。页表大多数驻留在内存中。页表大多数驻留在内存中。系系统统中中只只设设置置一一个个页页表表寄寄存存器器PTRPTR,存存放页表在内存的放页表在内存的始值始值和页表的和页表的长度长度。进进程程未未执执行行时时，页页表表的的始始值值和和页页表表长长度度存存放放在在本本进进程程PCBPCB中中。当当调调度度到到进进程程时，装入时，装入页表寄存器页表寄存器中。中。图4-15分页系统的地址变换机构 4.5.2地址变换机构地址变换机构1、基本的地址变换机构、基本的地址变换机构 逻辑地址被分为两部分：逻辑地址被分为两部分：页号页号 页内位移页内位移 例如逻辑地址1500的二进制形式为0000 0101 1101 1100由于页的大小为1024B（210），故页内位移占10位，剩下6位为页号 逻辑地址1500对应的页号为1（二进制为0000 01）页内位移为476（二进制为01 1101 1100）页式存储管理逻辑地址结构页式存储管理地址变换机构2、快表引入原因CPU存取一个数据时要两次访问内存：第一次是访问页表，找到指定页的物理块号，再将块号与页内偏移量W拼接形成物理地址。第二次访问内存，从所得地址中获得所需数据（或向此地址中写入数据）。“联想寄存器联想寄存器”或或 “快表快表”：为为提高地址变换提高地址变换速度，速度，增设增设一个具一个具有并行查询能力的有并行查询能力的高速缓冲寄存器高速缓冲寄存器，称为，称为，用于存放用于存放当前访问的页表项当前访问的页表项。地址变换过程cpu给出有效地址，由地址变换机构自动地将页号p送入高速缓冲存储器，并将此页号与高速缓存中的所有页号进行比较，若有与此相匹配的页号，则表示所要访问的页表项在快表中。于是，可直接读出该页所对应的物理块号，并送物理地址寄存器中。页号高速缓冲存储器 页号匹配 如在快表中末找列对应的页表项，还须再访问内存中的页表，找到后，把从页表项中读出的物理块号送地址寄存器；同时，还将此页表项存入快表中的一个寄存器单元中，亦即置新修改快表、但如果联想存储器已满，则os必须找到一个老的且已被认为不再需要的页表项将它换出。图4-16具有快表的地址变换机构 v快表通常只存放快表通常只存放1651216512个页表个页表项项v大型作业只能将其一部分页表大型作业只能将其一部分页表项放入其中项放入其中v从快表能找到所需页表项的命从快表能找到所需页表项的命中率可达中率可达90%90%。4.5.3访问内存的有效时间访问内存的有效时间例：检索联想存储器的时间为检索联想存储器的时间为20ns，访问，访问内存的时间为内存的时间为100 ns。如果能在联想存。如果能在联想存储器中检索出页号，则储器中检索出页号，则CPU存取数据总存取数据总共需要共需要 如果不能在联想存储器中找到该页如果不能在联想存储器中找到该页号，则总共需要号，则总共需要 。再。再假定访问联想存储器的命中率分别为假定访问联想存储器的命中率分别为o，5o，80，90，98，计算，计算有效访问有效访问时间。时间。t1120 ns。t2220 ns有效访问时间：有效访问时间：T命中率：命中率：hT=h*t1+(1-h)*t2命中率命中率%T=h*t1+(1-h)*t2 0 50 80 90 98220170140130122 假假如如：有有32位位逻逻辑辑地地址址空空间间的的分分页页系系统统，规规定定页页面面大大小小为为4KB即即212B，则则在在每每个个进进程程页页表表中中页页表表项项可可达达1M（220）个个之之多多。又又因因为为每每个个页页表表项项占占用用4个个字字节节，故故每每个个进进程程仅仅仅仅其其页页表表就就要要占占用用4MB的内存的内存空间。空间。4.5.4两级和多级页表两级和多级页表 解决方法：解决方法：1 1 如果用如果用离散分配方式离散分配方式解决，则难以解决，则难以找到找到连续的大内存空间连续的大内存空间的。的。2 2 只将当前需要的部分页表项调入内存，只将当前需要的部分页表项调入内存，其余的页表项仍驻留在磁盘上，需要其余的页表项仍驻留在磁盘上，需要时再时再调调入。入。1 1、两级页表、两级页表 为为离散分配的页表再建立的一张页表，称为离散分配的页表再建立的一张页表，称为外层外层页表页表，在每个页表项中记录了页表页面的物理块号。，在每个页表项中记录了页表页面的物理块号。以以32位逻辑地址空间为例位逻辑地址空间为例 当页面大小为当页面大小为4KB时（时（12位），若采用一级页位），若采用一级页表结构，应具有表结构，应具有20位的页号，即页表项应有位的页号，即页表项应有1M（220）个）个；用两级页表时，再对页表进行分页，使每页中包含用两级页表时，再对页表进行分页，使每页中包含210个页表项，最多允许有个页表项，最多允许有210个页表分页；即外层页个页表分页；即外层页表中的外层页内地址表中的外层页内地址P2为为10位，外层页号位，外层页号P1也为也为10位。位。逻辑地址结构外层页号外层页号外层页内地址外层页内地址页内地址页内地址31 22 21 12 11 0 两级页表结构 图4-18 具有两级页表的地址变换机构 4.6分段存储管理方式 4.6.1分段分段存储的引入存储的引入 4.6.2分段分段系统的基本原理系统的基本原理4.6.3信息信息共享共享4.6.4段段页式存储管理方式页式存储管理方式4.6.1分段分段存存储的引入的引入1 1）方便编程）方便编程2 2）信息共享）信息共享3 3）信息保护）信息保护4 4）动态增长）动态增长5 5）动态链接）动态链接段的保护存取控制：在段表中增加存取保护位，用于设置对本段的存取方式，如可读。可写或可执行。段表保护：每个进程都有自己的段表，段表本身对段可起到保护作用。保护环：系统把所有信息按照其作用和相互调用关系分成不同的层次（即环），低编号的环具有较高的权限，编号越高，其权限越低，如图所示。它支持4个保护级别：0级权限最高，3级最低。段的保护措施1、分段、分段 在在分分段段存存储储管管理理方方式式中中，作作业业的的地地址址空空间间被被划划分分为若干个段，每个段定义一组为若干个段，每个段定义一组逻辑信息逻辑信息。每个段都从0开始编址。采用一段连续的地址空间。段的长度由相应的逻辑信息组的长度决定，因而段长不等。整个作业的地址空间分成多个段，是二维的。4.6.2分段系统的基本原理分段系统的基本原理逻辑地址结构段号段号段内地址段内地址31 16 15 0允许一个作业最多有允许一个作业最多有64K个个段段每个段的最大长度为每个段的最大长度为64KB2、段表 系统系统为每一个进程建立一张段映射表，为每一个进程建立一张段映射表，简称段表。用于实现从简称段表。用于实现从逻辑段逻辑段到到物理内存物理内存的的映射。映射。图利用段表实现地址映射 图4-20分段系统的地址变换过程 3 3、地址变换、地址变换4、分页和分段区别（1 1）页是信息的）页是信息的物理单位物理单位，分页是，分页是为由于为由于系统系统管理的需要。管理的需要。段是信息的段是信息的逻辑单位逻辑单位，分段，分段是为了满足是为了满足用户用户的需要。的需要。4、分页和分段区别（2 2）页的大小）页的大小固定固定且由且由系统系统决定，决定，段的长度段的长度不固定不固定，决定于，决定于用户所用户所编写的程序编写的程序，通常由编译程序在对，通常由编译程序在对源程序进行编译时，根据信息的性源程序进行编译时，根据信息的性质来划分。质来划分。4、分页和分段区别（3）分页的作业地址空间是分页的作业地址空间是一维一维的，的，程序员只需利用一个记忆符，即可程序员只需利用一个记忆符，即可表示一个地址；表示一个地址；分段的作业地址空间则是分段的作业地址空间则是二维二维的，的，程序员在标识一个地址时，既需给程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地值。出段名，又需给出段内地值。可重入代码可重入代码 又称纯代码：一种允许多个进程同时访问但不允许任何进程对它进行修改的代码。4.6.3信息共享信息共享ed1ed40data1data10ed1ed40data1data1021216060616170702121606071718080进程进程1进程进程2页表页表页表页表ed1ed2ed40data1data10data1.data10主存主存021226061707180editordata1editordata2进程进程1进程进程2段表段表editordata1data2主存主存80240280380420段长段长 基址基址16016080804040240240段长段长基址基址16016080804040380380既既具具有有分分段段系系统统的的便便于于实实现现、分分段段可可共共享享、易于保护、可动态链接等优点易于保护、可动态链接等优点又又能能像像分分页页系系统统那那样样解解决决内内存存的的外外部部碎碎片片问问题题，以以及及可可为为各各个个分分段段离离散散地地分分配配内内存存等等问问题。题。4.6.4 段页式存储管理方式段页式存储管理方式 段页式存储管理基本原理分段和分页原理结合分段和分页原理结合先将先将用户程序划分成用户程序划分成若干个段，若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名。予一个段名。图 作业地址空间和地址结构 段页式地址结构图4-24利用段表和页表实现地址映射 图 段页式系统中的地址变换机构 三次访问内存第一次访问第一次访问段表段表，从中取得页表始值；，从中取得页表始值；第第二二次次访访问问页页表表，从从中中取取出出该该页页所所在在的的物物理理块块号号，并并将将该该块块号号与与页页内内地地址址一一起起形形成成指指令令或或数数据据的的物物理地址；理地址；第三次真正访问指令或数据。第三次真正访问指令或数据。第五章第五章内存内存管理管理要点：要点：1、程序执行的完整过程（、程序执行的完整过程（编译、链接、装入编译、链接、装入执行），静态装入与执行），静态装入与动态装入，物理地址与逻辑地址。动态装入，物理地址与逻辑地址。2、连续内存分配方式与、连续内存分配方式与3种非连续内存分配方式（分页、分段、种非连续内存分配方式（分页、分段、段页式），内部碎片与外部碎片，段式与页式分配的区别。段页式），内部碎片与外部碎片，段式与页式分配的区别。3、分页管理方式中的逻辑地址结构、页表、访存过程以及访存有、分页管理方式中的逻辑地址结构、页表、访存过程以及访存有效时间，快表。效时间，快表。