1、計算機軟件基礎主講人：趙，交通大學計算機教學實驗中心，9單元，內存與設備管理、第2頁，前一節(jié)提示(1)，1。操作系統(tǒng)概述(1)概念、功能、分類和發(fā)展(2)相關技術(多處理、通道技術和中斷技術)(3)常見操作系統(tǒng)簡介(2)文件管理系統(tǒng)(1)文件概念和分類(2)文件系統(tǒng)功能和特征(3)文件系統(tǒng)組織和存儲結構(4)DOS、WINDOWS和UNIX前一節(jié)的內容建議(2)、3。過程管理(1)程序的相關概念(單通道、多通道、批處理)，(2)過程和相關概念(過程、特性、屬性、狀態(tài)、線程)，(3)過程管理(過程組成、過程控制塊的組織形式)，(4)過程調度的任務和功能，(4)用戶界面和。第4頁，第9單元操作系統(tǒng)

2、的內存管理和設備管理，第5頁，第1頁。內存管理，1?；靖拍?1)定義：內存是一種能夠接收數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)并根據(jù)命令提供這些數(shù)據(jù)的設備。(2)內存分類：內存(簡稱內存、主存和物理內存):處理器直接訪問的內存，用于存儲系統(tǒng)和用戶的程序和數(shù)據(jù)。其特點是：存取速度快，新存儲模式取代舊存儲模式，斷電信息丟失。外部存儲器(簡稱為外部存儲器和輔助存儲器):處理器不能直接訪問的存儲器。用于存儲用戶的各種信息，訪問速度比內存慢得多，但可以用來長時間保存用戶信息。比如我們的磁盤。提示：內存管理主要指內存管理。因此，在沒有特別解釋的情況下，內存管理指的是內存的管理。第6頁，(3)內存的物理組織物理地址：將內存分成幾

3、個大小相等的存儲單元，每個單元都有一個數(shù)字，稱為內存地址(物理地址、絕對地址和真實地址)，存儲單元占用8位，稱為字節(jié)。256兆內存指字節(jié)物理地址空間；物理地址的集合稱為物理地址空間(主存儲器地址空間，絕對地址空間)，它是一維線性空間。第7，2頁。內存管理功能：(1)存儲空間的地址轉換：將邏輯地址轉換為物理地址；(2)存儲空間的分配和釋放：負責分配和回收內存；(3)擴展主存空間：提供虛擬存儲和程序覆蓋技術，旨在擴展運行大型程序的能力；(4)存儲保護：保護系統(tǒng)程序和用戶程序的運行不受干擾。第8頁，(1)存儲空間的地址轉換，幾個相關的概念程序地址：用戶在程序中使用符號名稱，編譯系統(tǒng)在生成的目標程序中

4、使用的地址是相對于程序的開始而設置的，這被稱為邏輯地址(或相對地址，虛擬地址)(以0為基地址的順序尋址)程序地址空間(邏輯地址空間，虛擬地址空間):用戶程序地址的集合物理地址：可執(zhí)行程序在計算機中運行時使用存儲器的物理地址(也稱為絕對地址)。地址轉換：從程序的邏輯地址空間到運行時實際使用的物理地址空間的轉換稱為“地址轉換”，也稱為地址重定位或地址映射。從邏輯地址到物理地址的轉換，第9頁，地址重定位示意圖，int a；浮動b。char c；a的絕對地址，b的絕對地址，c的絕對地址，a的邏輯地址，b的邏輯地址，c的邏輯地址，2FF0，3EC0，4DAA，目標程序的存儲空間名稱空間地址空間內存物理地

5、址編譯和鏈接生成邏輯地址。第10頁，地址重定位模式，靜態(tài)重定位和動態(tài)重定位。第11頁，靜態(tài)地址重定位，原則：指作業(yè)執(zhí)行前的重定位。地址轉換主要通過重新定位加載器來完成。特點：簡單，易于實現(xiàn)，無需硬件支持，是早期計算機采用的一種方式。缺點：程序一旦定位，就不能再在主存中移動，不能重新分配內存，不利于內存的有效利用；要求作業(yè)分配連續(xù)的主存空間，主存資源利用率低；不同的用戶很難在主存中共享同一個程序。嘿。第12頁，靜態(tài)重定位圖、作業(yè)a的地址空間、主內存空間、0 100 300 500、100 200 400 600、輸入1，300、輸入1，400、1，357、1，357。在重新定位到主存儲器空間之后

6、，因為作業(yè)是從物理地址100加載的，所以輸入語句的地址順序地位于200，并且讀取記錄位于400。從邏輯地址300讀取1條記錄。第13頁，動態(tài)地址重定位，動態(tài)地址重定位是程序執(zhí)行過程中的重定位，更準確地說，地址轉換是在每個存儲單元訪問之前執(zhí)行的。它是通過硬件地址轉換機制實現(xiàn)的。加載主內存空間時，設置一個重定位寄存器(RR)來存儲起始地址。訪問主存儲空間的作業(yè)的地址由邏輯地址加上位置寄存器的地址決定。主存儲器實際地址=邏輯地址重定位寄存器內容，第14頁，動態(tài)地址重定位示意圖、0 100 300 600、0 1100 1300 1600、I 1 300 1 3 5 7、作業(yè)A地址空間、有效地址。30

7、0 1 3 5 7、來自第15頁，動態(tài)地址重定位的特性，目標模塊在被加載到主存儲器后可以很容易地被移動。有利于解決內存管理中的碎片問題；多個相對獨立的目標模塊可以被加載到相互不相鄰的存儲區(qū)域中。充分利用內存和共享資源非常方便。不執(zhí)行的程序不進行地址映射，這節(jié)省了CPU時間。需要額外的硬件支持，這增加了系統(tǒng)的開銷。(重新定位寄存器，缺點)。第16頁，(2)存儲空間的分配和釋放在計算機中，無論是系統(tǒng)程序還是用戶程序，無論是數(shù)據(jù)還是文件，都必須裝入主存進行處理。系統(tǒng)通過空間分配管理表記錄系統(tǒng)中的可用空間和占用空間狀態(tài)來管理內存的分配和釋放。過程如下：a)應用程序申請空間；b)如果有足夠的內存，加載程

8、序執(zhí)行；否則，等待或顯示沒有足夠的內存空間。c)程序執(zhí)行后，申請恢復，系統(tǒng)恢復內存。在第17頁的存儲分配方法中，有三個物理地址直接分配源程序中的主內存。用戶要求高，使用不方便，容易出錯。用于早期的計算機系統(tǒng)。靜態(tài)分配在加載作業(yè)之前，程序會一次性解釋作業(yè)中包含的地址空間。確認后，在整個程序執(zhí)行過程中不會改變。簡單，利用率低，難以通過多個程序共享資源。(對應于靜態(tài)地址轉換)動態(tài)分配決定作業(yè)加載到主內存時或執(zhí)行期間的存儲分配。管理復雜，但利用率高，很容易實現(xiàn)主存的資源共享。在現(xiàn)代多頻道節(jié)目系統(tǒng)中，主要使用動態(tài)分配。第18頁，(3)存儲空間的分區(qū)保護。在多通道程序系統(tǒng)的主存(環(huán)境)中，為了保護系統(tǒng)程序

9、的安全(目的)，系統(tǒng)程序和用戶程序所使用的實際區(qū)域是分開的(方法)。這種劃分是通過硬件實現(xiàn)的。用戶程序只能使用用戶區(qū)的存儲空間(描述)。其它存儲保護a)上下限保護b)基址和有限長度寄存器保護、系統(tǒng)區(qū)、用戶區(qū)、主存空間分區(qū)保護圖、第19頁，(4)擴展主存空間，主存空間是有限的，用于在有限空間中運行大型程序的技術有：“自動覆蓋”技術、“虛擬存儲”技術等。一次只調用一個段落進行處理。在早期的編程中，類似的方法經常被用來處理大問題。例如，為了求解大型線性方程組，使用“塊”算法將大型系數(shù)矩陣分成小塊。在第21頁，虛擬存儲，基本思想：用戶在編程時不需要考慮物理內存的結構和容量。當程序很大時，系統(tǒng)會將部分外

10、部內存“虛擬化”到內存中以供使用。386地址總線有32位，尋址是232=4GB，可以管理64TB的虛擬內存。虛擬內存技術是在硬件和軟件(中央處理器和操作系統(tǒng))的支持下實現(xiàn)的。硬件負責虛擬和真實地址的轉換；軟件負責真實內存(主內存)和虛擬內存(外部內存)之間的信息調度管理。第22頁，內存擴展技術的比較，覆蓋技術：一個作業(yè)的幾個程序段或幾個作業(yè)的某些部分共享某個存儲空間。交換技術：當內存空間不足時，系統(tǒng)會將內存中的一些進程臨時移動到外部內存中，并將外部內存中的一些進程轉換到內存中，占用前者所占用的區(qū)域(UNIX)。此外，交換發(fā)生在進程或作業(yè)之間，而覆蓋發(fā)生在同一進程或作業(yè)內。此外，重寫只能覆蓋那些

11、與重寫段無關的程序段。虛擬內存：程序、數(shù)據(jù)和堆棧的大小可以超過內存的大小。操作系統(tǒng)將程序當前使用的部分保存在內存中，而另一部分保存在磁盤上，并在必要時動態(tài)交換。第23，3頁。介紹了四種存儲管理方法：單連續(xù)區(qū)分配法、多連續(xù)區(qū)分配法、分頁管理法，第24頁，(1)單連續(xù)區(qū)分配法，該方法的要點是：將主存分成兩個固定的存儲區(qū)；一個固定分配給操作系統(tǒng)，另一個分配給用戶程序。硬件支持：引入“圍欄寄存器”(邊界寄存器)將操作系統(tǒng)與用戶的使用區(qū)域分開。用戶程序的重定位方法可以使用：靜態(tài)定位法：在程序加載之前，邏輯地址被轉換成絕對地址一次，然后不再轉換。動態(tài)定位方法：在程序執(zhí)行過程中動態(tài)實現(xiàn)，第25頁，單個連續(xù)區(qū)

12、域分配方法示意圖，中央處理器，操作系統(tǒng)，空閑空間，用戶區(qū)域，主內存空間，位置寄存器，邏輯地址)，2000年第26頁，單個連續(xù)區(qū)域分配方法的特點，優(yōu)點：易于定位，使用簡單缺點：但是，在多程序處理的情況下，主內存資源利用率低，浪費大。僅適用于單通道程序，第27頁，(2)多連續(xù)區(qū)分配方法，該方法的要點是：將主存空間分成幾個連續(xù)區(qū)，并建立一個空間分區(qū)表進行管理。分區(qū)大小可以不同。硬件支持：添加新的保護設備邊界寄存器LOW和up來限制塊的上限和下限。分類：固定分區(qū)，也叫靜態(tài)變長分區(qū)，也叫動態(tài)分區(qū)，頁28，固定分區(qū)(多連續(xù)分區(qū))，a)在操作之前，主存被分成幾個固定大小的連續(xù)區(qū)域；分區(qū)大小可以相同也可以不同

13、。一旦被分割，它將不會在系統(tǒng)運行期間被重新分割。(分區(qū))b)建立分區(qū)描述表，記錄每個分區(qū)的大小、區(qū)號、起始地址、占用標志和其他信息。(創(chuàng)建分區(qū)描述表)c)在作業(yè)調度期間，根據(jù)分區(qū)描述表加載程序并確定程序的重定位地址。(由分區(qū)描述表管理)。第29頁，固定分區(qū)圖、區(qū)號、大小、地址、狀態(tài)，10k20k已分為20k和30k，50k已分為480k和80k，分區(qū)表、操作系統(tǒng)、操作a、第三個分區(qū)沒有分區(qū)，20k，30k，50k，80k，主要是存儲“垃圾”。每個分區(qū)只能容納一個作業(yè)，這不一定會占用該分區(qū)，因此會產生碎片、奇數(shù)部分和垃圾。第30頁，固定分區(qū)方法的特點和優(yōu)勢：管理和調度簡單，分區(qū)策略適用于具有相對

14、一定工作負載的系統(tǒng)。缺點：主存的“分數(shù)”太多，這是一種嚴重的浪費；這導致了“垃圾”回收的問題。在第31頁，可變長度分區(qū)(多連續(xù)分區(qū))，該方法的要點是：根據(jù)要加載的作業(yè)的實際大小劃分區(qū)域，分區(qū)的數(shù)量也可以調整；需要建立兩個表(已分配分區(qū)表p和未分配分區(qū)表f)來管理主內存空間。特點：優(yōu)點：主存的“分數(shù)”很小(但仍有)；缺點：剩余空白區(qū)域很小，不能使用；找到一個大的空白區(qū)域需要時間(從頭開始)；合并主內存的“部分”需要時間和時間來恢復。第32頁，多連續(xù)區(qū)域分配方法示意圖，已分配區(qū)域表p，未分配區(qū)域表f，區(qū)域代碼長度起始地址狀態(tài)，1 8K 20K劃分，2 16K 28K劃分，3-空條目，4 124K

15、108K劃分。1 64K 44K可用，2 24K 232K可用，3-空條目，4，5，操作系統(tǒng)，作業(yè)1，作業(yè)2，20K，28K，5，44K，可用分區(qū)1，108k，操作系統(tǒng)，可用分區(qū)1，作業(yè)3，可用分區(qū)2分配算法：先適配，最佳適配，合并小空閑塊，存儲區(qū)域，第33頁，(3)分頁管理方法，基本概念頁面將作業(yè)的地址空間劃分為稱為頁面的等長單元。塊將主存的存儲空間分成等長的單元，這些單元稱為塊。頁表記錄了主存中該頁的頁碼和塊號之間的對應表。頁表實際上是一個地址重定位表。(頁面記錄和塊之間的關系)操作表和頁碼管理之間的交叉引用表，每個操作有一個條目；表項由作業(yè)號、頁表長度、頁表起始地址、狀態(tài)和其他信息組成。動態(tài)地址轉換機制的硬件組件，用于從作業(yè)的地址空間映射到主存儲器的物理空間；地址結構如下：P W，P是頁碼，W是頁內偏移量。第34頁，分頁管理方法的算法描述，它將作業(yè)劃