操作系统17--请求分页性能分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,17.,23,/,23,*,操作系统,4.8.4,请求分页系统的性能分析（补充）,1.缺页率对有效访问时间的影响,在请求分页系统中，假设存储器的访问时间,ma,为,100ns,（一般为,10ns,几百,ns,），缺页率为,p,，缺页中断时间为,25ms,，则：,ma=100ns=0.1,s ,缺页中断时间25000,s,有效访问时间,=(1-,p),0.1+p,（,25000+0.1),=,0.1+25000,p,可见,有效访问时间与缺页率成正比。,如果缺页率为,0.1%,，则有效访问时间约为,25s,，与直接访问存储器的有效访问时间,(0.1s),相比，程序的性能大大降低。,如果希望在缺页时，仅使有效访问时间延长不超过,10%,，即,:,25000*P+0.10.1(1+0.1),因此,P4*10,-7,即,:,要求在,2.5*10,6,次的访问中至多发生一次缺页，即,请求分页方式应保持非常低的缺页率,才不至于影响程序执行速度。,此外，提高磁盘,I/O,的速度，对改善请求分页系统的性能至关重要,(,为此，应选用高速磁盘和高速磁盘接口,),操作系统,练习：,现有一请求调页系统，也表保存在寄存器中。若有一个被替换的页未被修改过，则处理一个缺页中断需要,8ms,；若被替换的页被修改过，则处理一个缺页中断需要,20ms,。内存存取时间为,1,s ,访问页表的时间可以忽略不计。假设,70%,被替换的页被修改过，为保证有效存取时间不超过,2 s,，则可接受的最大缺页率是多少？,p*(0.7*20+0.3*8+0.001)+(1-p)*0.001=0.002,16.4p+0.001=0.002,16.4p=0.001,P total memory size,操作系统,5,、影响缺页次数的因素,分配给进程的物理块数,一个程序运行时遇到缺页中断的次数，是和分配给该道程序的物理块数成反比的，但当主存容量达到某个值时，缺页次数减少不再明显。多数程序都有一个确定值,拐点,(2),页面本身的大小,页面大，页表小，省空间且查找快；缺页次数相对也少；一次换页的时间长，页内碎片空间浪费的可能性较大。页面小则相反,.,(3),页面置换算法,(,页面淘汰算法,),选择最合适的置换算法。,(4),程序的编制方法,尽可能使编出的程序具有高度的局部性，则执行时可经常集中在几个页面上进行访问，减少缺页率,.,操作系统,程序的编制方法,选择适当的数据结构,增强程序访问的局部性,例：二维数组,(512*512),清零问题：假设内存分配,2,个物理块，一个块用来装入程序和变量,i,、,j;,另一块用来存放数组数据。初始时调第一页进入内存,页面大小为,512,个整数。,ex:,数组在主存中存放顺序与使用顺序的一致性,：,行优先存放：,法,1,发生,512*,512,=262144,次缺页，法,2,只发生,512,次缺页。,法,1,：,int,A512512;,法,2,：,int,A512512 for (j=0;j512;j+) for (i=0;i512;i+) for (i=0;i512;i+)for (j=0;j512;j+),Aij,=0;,Aij,=0;,操作系统,程序的编制方法,加强编译程序和装入程序的效能：,编译程序：能把程序代码和程序的数据分离开来，减少常用的程序纯代码被换出的机会；,装入程序：应将纯代码部分装入同一页或几页中，切不要把纯代码部分与非纯代码或数据部分放入同一页中，以减少那些常用子程序所在的页被换出的机会,。,操作系统,4.8.5,请求分段存储管理方式虚拟分段(,virtual segmentation),1),需要在进程段表中添加若干项：,存取方式,：,如读,R，,写,W，,执行,X,访问字段,A：,被访问的频繁程度,存在位,P,(,present bit)，,即状态位：是否已经调入内存,修改位(,modified bit/dirty bit)：,进入内存后，是否被修改过,增补位（该段是否增长过，在虚拟页式中没有该位）,外存始址,(,本段在外存中的起始地址,起始盘块号,),硬件支持,在简单段式存储管理的基础上，增加请求调段和段置换功能。,操作系统,2),缺段中断,：指令和操作数必定不会跨越在段边界上，所以，频繁缺段现象较少。但由于段长不定，所以处理较缺页复杂。,拼接后形成合适,大小的空闲区,淘汰一个或几个段,以形成合适大小的空闲区,虚段不在内存中,阻塞请求的进程,内存中有合适的空闲区？,从外存读入段,修改段表和内存空闲链,唤醒请求进程,返回,空闲区大小总和能否满足？,N,N,3),地址变换机构,:,P156,在地址变换机制中又增加了,缺段中断,的请求及其处理等。,操作系统,启动要处理指令,计算有效地址,访问地址,v= (s,p,d),S,段表长吗？,段链接了吗？,段在主存吗？,P,页表长吗？,访问类型合,法吗？,页在主存吗？,缺页中断处理,执行下一条指令,访问该地址,完成指令,形成主存地址,出错处理,越界中断处理,链接中断处理,缺段中断处理,允许动态增,长吗？,出错处理,N,N,N,N,N,N,N,4),请求,段页式,地址变换机构,操作系统,引入,共享段表,实现对,共享段,的共享：,段名,段长,内存始址,状态,外存始址,共享进程计数,count,状态,进程名,进程号,段号,存取控制,共享段的分配与回收：,分段共享与保护,分段共享,操作系统,存储保护的目的：,1),保护,系统程序区,不被用户侵犯（有意或无意的）,2),不允许用户程序读写,不属于自己地址空间的数据,（系统区地址空间，其他用户程序的地址空间）,在多道程序设计的环境下，系统中有系统程序和多个用户程序同时存在，如何保证用户程序不破坏系统程序，用户程序之间不相互干扰？这就是,存储保护所要解决的问题,。,分段保护,操作系统,越界保护：,逻辑地址段号与段表长度比较,段内地址与段长比较,上下界保护,存取控制检查,：使用“存取控制”字段规定对段的访问方式,只读、只执行、读/写。,环保护,：,处理器状态分为多个环(,ring)，,分别具有不同的,存储访问特权级别,(,privilege)，,通常是级别高的在内环，编号小（如0环级别最高） ；,在环系统中,程序的访问和调用遵循如下规则,:,可访问同环或更低级别环的,数据,；,可调用同环或更高级别环的,服务,。,分段保护的几种措施,存储保护通常通过,存储保护检查来实现，,是针对每个存储访问操作进行的，必须由相应的处理器硬件机构支持。,操作系统,上下界保护,下界寄存器,存放程序段装入内存后的开始地址（首址）,上界寄存器,存放程序段装入内存后的末地址,判别式：,下界寄存器 物理地址 上界寄存器,例：有一程序装入内存的首地址是,500,，末地址是,1500,，访问内存的逻辑地址是,500,、,345,、,1000,。,下界寄存器：,500,上界寄存器：,1500,逻辑地址装入内存的首地 物理地址,1,、,500,500,1000 500 1000,1500,2,、,345,500,845 500 845,1500,3,、,1000,500,1500 500 1500,1500,操作系统,对同环或更低级环数据的访问,操作系统,对同环或更高级别环服务的调用,Ring 0,Ring 1,Ring 2,Call Return,Call,Return,return,call,操作系统,练习：,一个程序的段表如下表，其中存在位为,1,表示段在内存，存取控制字段中,W,表示可写，,R,表示可读，,E,表示可执行。对下面的,5,条指令，在执行时会产生什么样的结果？,STORE R1,0,70,STORE R1,1,20,LOAD R1,3,20,LOAD R1,3,100,JMP 2,100,段号,存在位,内存始址,段长,存取控制,0,0,500,100,W,1,1,1000,30,R,2,1,3000,200,E,3,1,8000,80,R,4,0,5000,40,R,缺段中断,只读，保护性中断,合法，形成物理地址,8020,，将该单元内容读入寄存器,R1,中,越界中断,合法，跳到,3100,处继续执行,STORE R1,0,70,STORE R1,1,20,LOAD R1,3,20,LOAD R1,3,100,JMP 2,100,答：,操作系统,第三章 存储管理,存储分配,存储扩充,存储保护,连续分配存储管理方式：,单一连续、固定分区，动态分区、伙伴系统、可重定位分区,“紧凑”,离散分配存储管理方式,：,地址变换、逻辑地址、物理地址、,地址变换机构,分页,:,页表、快表、多级页表、反置页表,分段,:,段表,段页,:,虚拟存储,:,“,对,换”技术,和覆盖技术、局部性原理、虚拟存储器概念、,实现方式：,请求分页：硬件支持、,软策略： 内存分配,调页策略,页面置换策略,性能分析,:,缺页率对访问时间的影响,驻留集,工作集,抖动现象,影响缺页率的因素,请求分段：,存储保护,：共享和保护的含义和基本方法,操作系统,