操作系统知识-存储管理+文件管理管理-嵌入式系统设计师备考笔记

0、前言

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本章的主要内容见下图：

1、存储管理（有计算题）

1.1分区存储

分区存储是指将存储介质分割成多个独立的存储区域，每个存储区域可以单独管理和使用。在存储管理中，分区存储是通过以下步骤实现的：

确定分区的大小和数量：根据需求确定每个分区的大小和数量，通常会考虑到数据的类型、访问频率、备份需求等因素。

创建分区：通过存储管理软件或操作系统的工具，将存储介质按照预先确定的大小和数量进行分区划分。

分配存储空间：为每个分区分配存储空间，并确定其访问权限和管理策略，如读写权限、备份策略等。

管理分区：对每个分区进行管理，包括监控存储空间的使用情况、定期清理无用数据、备份重要数据等操作。

提供访问接口：为用户或应用程序提供访问分区的接口，使其可以对存储空间进行读写操作。

通过以上步骤，分区存储可以实现对存储空间的有效管理和利用，提高数据的安全性和可靠性。

可变分区分配算法举例：

1.2页式存储

页式存储是一种基于页面（Page）的存储管理技术，将存储介质划分成固定大小的页面（通常为4KB或8KB），并将数据按照页面的单位进行存储和管理。页式存储通常用于虚拟存储系统和操作系统中，其主要特点包括：

分页管理：将存储介质划分成大小固定的页面，每个页面都有唯一的地址。数据被分割成页面大小的块进行存储，便于管理和访问。

页面映射：通过页表（Page Table）将逻辑地址映射到物理地址，实现虚拟地址空间到物理地址空间的转换。页表记录了每个页面在物理地址空间中的位置。

页面置换：当物理内存不足时，需要进行页面置换（Page Replacement）操作，将一部分页面从内存中换出到磁盘上，以释放空间给新的页面。常用的页面置换算法包括最近最少使用（LRU）和先进先出（FIFO）等。

快速访问：由于页面大小固定，可以通过页表快速定位到存储数据的物理地址，提高数据访问的效率。

内存保护：通过页表可以实现内存保护，限制程序对其他进程或系统资源的访问。

页式存储可以提高存储管理的效率和灵活性，同时也有利于实现虚拟存储和内存保护等功能。然而，页式存储也会引入一定的开销，如页表维护和页面置换操作可能会增加系统的负担。

优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单

缺点：增加了系统开销，可能产生抖动现象

1.3段式存储

段式存储是一种存储管理技术，将存储空间划分成不同大小的段（Segment），每个段用于存储一组相关的数据或程序段。段式存储与页式存储相比，更注重数据和程序的逻辑结构，而不是物理地址的顺序。

在段式存储中，每个段都有自己的段号和段长度，可以存储不同类型的数据或程序段，如代码段、数据段、堆栈段等。段式存储的主要特点包括：

分段管理：将存储空间划分成多个段，每个段具有独立的段号和段长度。不同的段用于存储不同类型的数据或程序，使得数据和程序可以更灵活地组织和管理。

段映射：通过段表（Segment Table）将逻辑地址映射到物理地址，实现逻辑地址空间到物理地址空间的转换。段表记录了每个段在物理地址空间中的起始地址和长度。

动态增长：每个段的长度可以根据需要动态增长，适应不同大小的数据或程序段。

内存保护：通过段表可以实现内存保护，限制程序对其他段或系统资源的访问。

碎片问题：段式存储可能会导致内部碎片（Internal Fragmentation），即段长度不是页面大小的整数倍时，会浪费一部分存储空间。

段式存储适用于需要灵活管理数据和程序段的场景，如操作系统、数据库管理系统等。通过合理划分和管理段，可以提高存储管理的效率和灵活性。

优点：多道程序共享内存，各段程序修改互不影响

缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大

1.4段页式存储

段页式存储是将段式存储和页式存储结合起来的一种存储管理技术，旨在克服段式存储和页式存储各自的缺点，提高存储管理的效率和灵活性。在段页式存储中，存储空间被划分成多个段和多个页面，每个段包含多个页面，每个页面属于一个段。

段页式存储的主要特点包括：

分段管理：将存储空间划分成多个段，每个段用于存储一组相关的数据或程序段。不同的段可以有不同的长度和权限。

分页管理：每个段被划分成多个页面，每个页面具有固定大小。数据和程序按页面的单位进行存储和管理，便于页面置换和内存管理。

段页映射：通过段表和页表将逻辑地址映射到物理地址，实现逻辑地址空间到物理地址空间的转换。段表记录了每个段的基地址和长度，页表记录了每个页面在物理地址空间中的位置。

动态增长：每个段和页面的长度可以根据需要动态增长，适应不同大小的数据或程序段。

内存保护：通过段表和页表可以实现内存保护，限制程序对其他段或页面的访问。

段页式存储综合了段式存储和页式存储的优点，同时也克服了它们各自的缺点，提高了存储管理的效率和灵活性。段页式存储常用于现代操作系统和虚拟存储系统中，为应用程序提供高效的存储管理机制。

优点:空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态连接
缺点:由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行速度大大下降

1.5虚拟存储

具有部分装入和部分对换功能，能从逻辑上对内容容量进行大幅度扩充，使用方便的一种存储器系统
实际上是为扩大主存而采用的一种设计技巧
虚拟存储器的容量与主存大小无关
虚拟存储器的实现对用户来说是透明的

实现方式：

请求分页系统
请求分段系统
请求段页式系统

1.6磁盘结构及调度算法

2、文件管理

2.1文件组织结构

2.2空闲存储空间管理

位示图法：直观表示存储空间是否被占用的方法，

位示图法是一种用于管理磁盘空间的技术，通过使用位图（Bitmap）来表示磁盘上每个数据块（或扇区）的使用情况。在位示图法中，每个数据块都对应位图中的一个位（通常用0或1表示），用于表示该数据块的使用状态。

位示图法的实现方式如下：

初始化位示图：在磁盘上创建一个位示图，位示图的每一位对应磁盘上一个数据块。初始状态下，所有位都是0，表示对应的数据块都是空闲的。

分配数据块：当需要存储数据时，系统会查找位示图中第一个为0的位，表示一个空闲的数据块。然后将该位设置为1，表示该数据块已被分配。

释放数据块：当数据块不再被使用时，系统会将对应的位设置为0，表示该数据块已被释放，可以重新被分配。

查询空闲数据块：系统可以通过扫描位示图找到所有为0的位，从而获取空闲的数据块列表。

碎片问题：位示图法可能会导致碎片问题，即数据块的空闲空间被分割成多个小块，难以有效利用。

位示图法是一种简单有效的磁盘空间管理技术，可以快速查询和分配数据块。然而，随着磁盘容量的增大，位示图的大小也会增加，可能会占用较多的存储空间。因此，在实际应用中，位示图法通常会与其他磁盘空间管理技术结合使用，以提高磁盘空间的利用率和管理效率。

例子见下图：