存储器的层次结构

 

存储层次

➢ CPU寄存器

➢ 主存：高速缓存、主存储器、磁盘缓存

➢ 辅存：固定磁盘、可移动介质

层次越高，访问速度越快，价格也越高，存储容量也最小

寄存器和主存掉电后存储的信息不再存在（易失性存储器）

辅存的信息长期保存（非易失性存储器）

 

可执行存储器：寄存器和主存储器。

主存储器：内存或主存。

寄存器：访问速度最快，与CPU协调工作，价格贵。

高速缓存：介于寄存器和存储器之间。

磁盘缓存

➢暂时存放频繁使用的一部分磁盘数据和信息；

➢缓和主存和I/O设备在速度上的不匹配；

➢利用主存的部分空间，主存可看成辅存的高速缓存。

内存又分为ROM和RAM，ROM为固化只读的。因此操作系统的存储管理模块管理的是内存中的RAM

内存可以看作是以字或字节为单位的存储单元组成的数组，每个存储单元都有自己的地址

内存的作用：存储指令和数据。程序执行时，先加载到内存。CPU执行时，从内存取指令，分析指令，如需要则从内存取操作数。执行完毕后，存储运算结果到内存

1. 内存分配和回收：为每个进程分配内存空间，并在它们不需要时回收其占据的空间。方式:①静态分配：作业运行前一次性完成；②动态分配：作业运行前和运行中逐步完成

2. 内存保护：为防止内存中程序相互干扰，要设置地址空间访问权限（读、写、执行）和越界检查机制。

3. 地址映射：将地址空间中的逻辑地址转化为内存空间中与之对应的物理地址。

4. 内存扩充(逻辑扩充)：即在不改变实际内存容量情况下，借助大容量外存解决内存不足问题。

地址的概念

1. 物理地址（内存地址，绝对地址，实地址，physical address）：把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给一个编号，这个编号称为物理地址。物理地址可直接寻址。

物理地址空间：物理地址的集合称为物理地址空间（内存空间），它是一个一维的线性空间。

2. 逻辑地址（相对地址，虚地址，logical address）：一个源程序经编译、链接而形成可装入程序，其地址是从“0”开始的，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的，故称相对地址。

逻辑地址空间：由逻辑地址所形成的地址范围。可能是线性的，也可能是多维的。

1. 地址映射(address mapping)：将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址。有时也称为地址变换、地址重定位。

2. 当程序装入内存时，操作系统要为该程序分配一个合适的内存空间，由于程序的逻辑地址与分配到内存物理地址不一致，而CPU执行指令时，是按物理地址进行的，所以要进行地址转换。

程序的装入和链接

程序的运行步骤

编译：由编译程序(Compiler)对源程序进行编译，形成若干个目标模块

链接：由链接程序(Linker)将目标模块和它们所需要的库函数链接在一 起，形成一个完整的装入模块(Load Module)

装入：由装入程序(Loader)将装入模块装入内存

物理地址（绝对地址）

➢ 物理内存的地址，内存以字节为单位编址

➢ 物理地址空间：所有物理地址的集合

逻辑地址（虚拟地址、相对地址）

➢ 由CPU产生的地址，即程序编译后使用的相对于0字节的地址

➢ 逻辑地址空间：由程序所生成的所有逻辑地址的集合

内存保护的实现：硬件

➢ 基地址寄存器：保存最小的合法物理内存地址（基地址）

➢ 界限寄存器：保存合法的地址范围大小（界限地址）

➢ 内存空间保护的实现

⚫ 判断“基地址≤物理地址＜（基地址+界限地址）”是否成立。

程序的装入

绝对装入方式

➢ 编译时产生的地址使用绝对地址

➢ 程序或数据被修改时，需要重新编译程序

可重定位装入方式

➢ 编译后的目标模块使用相对地址

➢ 在装入时，完成重定位（静态重定位）

➢ 不需硬件支持

动态运行时装入方式

➢ 编译后的目标模块使用相对地址

➢ 在运行时，完成重定位（动态重定位）

1. 绝对装入(absolute loading)

单道程序中，由编译程序或程序员指定内存地址，装入时直接定位在上述(即文件中记录的地址)内存地址。逻辑地址和物理地址完全相同。（单一装入模块装入）

2. 优点：装入过程简单，实现容易

3. 缺点：需要有连续的空间，不适于多道程序系统

1. 可重定位装入(relocation loading)

多道程序环境中，单一装入模块中采用逻辑地址，根据当前内存情况，将装入模块装入到适当位置。操作系统装入模块进行地址映射。地址映射（地址转换）是在装入模块装入内存时一次性进行的，即采用静态重定位。以后不能更改

2. 优点：不需硬件支持，可以装入有限多道程序

3. 缺点：程序装入内存后不能移动，不易实现共享

 

动态运行时装入(dynamic run-time loading)

在运行过程中，程序在内存中的位置可能经常要改变！

将装入模块原样装入内存，而地址映射工作推迟到程序真正执行时才进行，即采用动态重定位。

⚫ 动态重定位：地址变换过程是在程序执行期间，随着对每条指令和数据的访问而自动进行的。

⚫ 重定位寄存器：须获得硬件地址变换机构的支持。

⚫ 程序移动特点：允许程序在运行期间在内存中移动

⚫ 优点：

– OS可以将一个程序分散存放于不连续的内存空间，可以移动程序，有利用实现共享。

– 能够支持程序执行中产生的地址引用，如指针变量（而不仅是生成可执行文件时的地址引用）。

⚫ 缺点：需要硬件支持，OS实现较复杂。

程序的链接

静态链接

➢ 在程序运行前，将各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开

➢ 对相对地址进行修改；变换外部调用符号

 

链接时间：

静态链接是在生成可执行文件时进行的。

链接地址类型：

在目标模块中记录符号地址(symbolic address)，而在可执行文件中改写为指令直接使用的逻辑地址。

装入时动态链接

➢ 在装入内存时，采用边装入边链接的链接方式

➢ 便于修改和更新

➢ 便于实现对目标模块的共享

1. 链接对象：程序由多个文件（模块）组成，在装入或运行时临时进行链接。通常被链接的共享代码称为动态链接库(DLL, DynamicLink Library)或共享库(shared library)

2. 时间：根据链接发生时机的不同，又分为了装入时链接（Loadtime Dynamic Linking)和运行时动态链接（Run-time Dynamic Linking)

3. 优点：由于运行时动态链接具有更高的灵活、有效性，所以成为目前流行的方式

 

运行时动态链接

➢ 将某些目标模块的链接推迟到执行时才执行。即在执行过程中，若发现一个被调用模块尚未装入内存时，立即由OS去找到该模块并将它装入内存，并把它链接到调用者模块上

➢ 加快装入过程，节省大量的内存空间

对换：把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据，调出到外存上，以便腾出足够的内存空间，再把已具备运行条件的进程或进程所需的程序或数据，调入内存。

整体对换：对换以整个进程为单位，也称为进程对换

➢ 被广泛应用于多道程序系统，也称为处理机中级调度

页面(分段)对换：对换是以“页”或“段”为单位进行的，又统称为“部分对换”

➢ 目的是为了支持虚拟存储系统

为了实现进程对换，系统必须能实现三方面的功能

➢ 对换空间的管理

➢ 进程的换出

➢ 进程的换入

 

覆盖

1 解决问题→程序大小超过物理内存总和

2 程序执行时：

➢ 只在内存中保留那些在任何时间都需要的指令和数据；

➢ 程序的不同部分在内存中相互替换。

3由程序员声明覆盖结构，不需要操作系统的特别支持

4覆盖结构的程序设计很复杂

5应用于早期的操作系统

连续分配方式（简称:连续分配）：是指为一个用户程序分配空间的时候，将所有程序装入到一段连续的物理内存中。在早期（20世纪60-70年代）的操作系统中，这种分配内存的方式曾经被广泛的使用。

单一连续分配

 

固定分区分配

 

 

固定分区主存利用率不高，使用不灵活，所以出现了可变分区

1. 改变“呆板”的分区固定为对进程特性的自适应

2. 按进程的大小动态划分分区大小（分区大小、数目可变）

空闲分区表

–每个空闲分区占用一个表项

–分区表的表项中包含分区号、分区始址及分区大小等表目

–表长不易确定

–占用额外内存

空闲分区链表

–利用各空闲分区自身的单元组成双向链表

–操作速度较慢

–克服了空闲分区表（表长不确定）的缺点

分区分配操作-内存回收

1. 合并：当一个进程（或程序）释放其所占内存区时，系统将首先检查回收区是否与其它空闲区相邻，若相邻则合并成一个空闲区，否则，将回收区插入空闲分区表（或空闲分区链）中的适当位置

2. 回收情况：

A. 只有前邻空闲区

B. 只有后邻空闲区

C. 既有前邻空闲区又有后邻空闲区

D. 没有邻接空闲区

根据不同情况，A、B、C有不同的合并策略

➢ 顺序搜索：依次搜索空闲分区链上的空闲分区，去找满足需要的空闲分区

➢ 常用到的分配算法有：

⚫ 首次适应算法(first-fit)

⚫ 下次适应算法(next-fit) 即循环首次适应法

⚫ 最佳适应算法(best-fit)

⚫ 最坏适应算法(worst-fit)

为提高空闲分区搜索速度，大中型系统往往采用基于索引搜索的动态分区分配算法：

1. 快速适应算法

2. 伙伴系统

3. 哈希算法

快速适应算法

1. 别名：分类搜索法

2. 按容量大小进行分类。将空闲分区按容量大小进行分类，每一类具有相同容量，每一类单独设立一个空闲分区链表（空闲分区的分类根据进程常用的空间大小进行划分）

3. 多个空闲分区链表。系统有多个空闲分区链表

4. 管理索引表。在内存中设立一张管理索引表，每个表项对应一类空闲分区，并记录该类空闲分区链表表头指针

优点：查找效率高；空闲分区分配时，不产生分割，能保留大分区，也不产生内存碎片

缺点：为有效合并分区，分区归还主存算法复杂，系统开销大；分配分区以进程为单位，存在浪费；以空间换取时间

伙伴系统

1. 固定分区限制了活动进程的数目，当进程大小与空闲分区大小不匹配时，内存空间利用率很低

2. 动态分区算法复杂，回收空闲分区系统开销大

3. 伙伴系统是一种折衷：

➢ 分区大小为2的k次幂，k为整数，1<=k<=m,2m是整个可分配内存的大小

➢ 将空闲分区按大小进行分类，每一类单独设立一个空闲分区双向链表

➢ 性能：分配和回收的性能取决于查找空闲分区的位置和分割、合并空闲分区的时间

➢ 时间性能：时间性能比分类搜索算法差，比顺序搜索算法好

➢ 空间性能：空间性能远优于分类搜索算法，但比顺序搜索算法略差

➢ 主要用于多处理机系统中（Linux早期版本）

 

 

连续分配方式存在的问题

➢ 碎片：不能被利用的小分区

➢ 解决方案：紧凑，要求代码和数据可以在内存中移动

➢ 紧凑：通过移动内存中的作业位置，以把原来多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法，也叫“拼接”

动态重定位：在指令运行时，实现地址转换(相对地址转换为绝对地址)

分配算法：类似于动态分区分配算法，增加了紧凑的功能

1. 零头问题：可变式分区也有零头问题。在系统不断地分配和回收中，必定会出现一些不连续的小的空闲区，称为外零头。虽然可能所有零头的总和超过某一个作业的要求，但是由于不连续而无法分配

2. 拼接：解决零头的方法是拼接（或称紧凑），即向一个方向（例如向低地址端）移动已分配的作业，使那些零散的小空闲区在另一方向连成一片

3. 时间开销：分区的拼接技术，一方面是要求能够对作业进行重定位，另一方面系统在拼接时要耗费较多的时间

 

动态可重定位分区分配

1. 需硬件(重定位寄存器R)支持 ,该R中放程序在内存始址。

执行时，访问的内存地址是相对地址与重定位寄存器中的地址相加而形成的

2. 地址变换过程是在程序执行期间，随着对每条指令和数据的访问而自动进行的，故称动态重定位

3. 进行“紧凑”处理时，不需对程序进行改动，只要修改重定位寄存器的值，即程序在内存中新的起始地址就可以

动态重定位示意图

 

分区的存储保护：采用保护键

按块分配，一个作业各块相连，并给该作业分配一个键号，填入该作业的各块的保护键中(这个保护键相当于锁)；并把该键号置入PSW的保护键字段(相当于钥匙)。当程序执行时，如所访问的保护键与钥匙不匹配，则产生保护键违例中断