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  • 2020-09-01 22:47:23

    从进程的角度来理解进程的存储管理即操作系统是如何管理进程的内存空间

    下面的三个方法都是针对进程的空间进行内存管理的。

    页式存储管理

    什么是页面
    字块是相对于内存条物理设备的定义,而页面是相对于逻辑空间的定义,即相对于进程的空间的定义,字块和页面指的都是大小一样的一块内存。

    页式存储管理会把进程的逻辑空间等分成若干个大小的页面,相应的也会把物理内存空间分成与页面大小一样的物理块。然后以页面为单位把进程空间装进物理内存中分散的物理块中。如果有一段连续的逻辑分散在多个页面中,将大大降低执行的效率。

    通常联系内存碎片一起来理解
    假设空闲链表:节点1<=>节点2-3<=>节点4
    它的容积范围:1<=>2<=>1
    此时页面的大小为1.5,它比节点1大,比节点2-3小,因此分配页面时则会把它分配到节点2-3这个节点。此时就会导致剩下的2-1.5=0.5的这一块是无法被页面所使用的,就造成了内存碎片的存在。

    使用页式存储时,需要注意页面大小适中,过大导致难以分配,过小会造成内存碎片过多。一般来说页面大小是512B~8K

    通过页式存储管理可以把进程逻辑空间的每个页面放到内存的物理块里面,如何知道进程的某一个页面分配到具体的内存里哪一个物理块?

    页表是记录进程逻辑空间与物理空间的映射关系表

    页面12345
    字块135711

    页面保存在内存不同的字块中,上表说明了页面1保存在第一个字块里,页面2保存在第三个字块里面等

    页式存储管理地址也是分为两个部分的,第1部分为页号,第2部分页内偏移页号相当于字块,页内偏移相当于字块的字内偏移。

    如果直接使用页式存储管理,也会遇到一些问题。
    现代计算机中可以支持非常大的逻辑地址空间(232~264),如此一来,页表就占用非常大的内存空间。如具有32位逻辑地址空间的分页系统,规定页面大小为4kb,则在每个进程页表中的页表项就可以达到1M(220)个,如果每个页表项占用1Byte,那么仅每个进程的页表就要占用1MB的内存空间。
    32位系统进程的寻址空间为4G,页表项为4G/4KB=220
    在这里插入图片描述
    图片来源:慕课网实战课程《编程必备基础》
    因此在这种情况下会出现多几页表,多级页表首先有一个根页表,页表里的每一个字块指向的地址是内存里面的一片空间,这个空间存储的是二级页表,假设每个2级页表有1024项,每一项指向的字块才是进程实际使用的内存。页表可以指向多个二级页表,这样可以大大减少进程的页表数所使用的空间,运行时只需要把跟页表加载到内存里面。如果说调用某一个字块发现二级页表没有在内存里面,这时再把二级页表加载到内存里,这样可以按需取用页表,节省内存空间。

    段式存储管理

    使用页式存储管理,如果有一段连续的逻辑分散在多个页面中,将大大降低执行的效率。因此有了段式存储管理这一方法。

    段式存储管理会将进程的逻辑空间划分成若干段(非等分),段的长度由进程的连续逻辑长度决定,比如主函数、各个子函数等

    段式存储管理同样需要段表来保存逻辑空间到物理空间的映射。
    段表
    图片来源:慕课网
    上图由于每一段长度都是不固定的,因此段表相对于页表多一项段长的数据。每一个段表有三个基本内容,段号、段的起始地址、段的段长。段式存储管理的段地址分为段号和段内偏移。

    比较页式存储管理和段式存储管理

    1. 他们都离散的管理了进程的逻辑空间
    2. 页是物理单位,主要从物理角度划分;段是逻辑单位,主要从进程的逻辑划分
    3. 分页是为了合理的利用空间,分段是为了满足用户需求
    4. 页的大小由硬件固定,段的大小是动态可变化
    5. 页表信息一维,段表信息二维(需要记录基址和段长)

    段页式存储管理

    采用前两种方法的优点
    分页可以有效提高内存利用率,分段可以更好满足用户需求。

    先把进程的逻辑空间按段式管理分成若干段,再把段内空间按照页式管理等分若干页

    页地址分为页号和页内偏移,段地址分为段号和段内偏移。段页地址结合前两者形成段页地址。它分为段号,段内页号,页内地址

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    一.页式存储-地址转换

    访问2次内存,第一次是页表,第二次是真正的物理内存。

    二级页表,访问3次内存

    两个例子的形式讲解逻辑地址到物理地址的转换:

    (1)

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png页系统页表

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png: 页号: 0 1 2 3 4 5

    块号: 3 5 x 4 1 2

    每页

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png2KB 计算逻辑

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png址1369

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png物理

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    解:

    页面大小为=2*1024,所以有:

    1369/(2*1024)=0 (取商,算出页号)1369%(2*1024)=1369(取余算出页内地址)

    3*2*1024+1369=7513

    (2)某虚拟存储器的用户编程空间共32个页面,每页为1KB,内存为16KB。假定某时刻一用户页表中已调入内存的页面的页号和物理块号的对照表如下:

    页号

    物理块号

    0

    3

    1

    7

    2

    11

    3

    8

    则逻辑地址0A5C(H)所对应的物理地址是什么?要求:写出主要计算过程。

    解题过程:

    首先要知道页式存储管理的逻辑地址分为两部分:页号和页内地址。物理地址分为两部分:

    关系为:逻辑地址= 页号+页内地址

    物理地址= 块号+页内地址;

    分析题:已知:用户编程空间共32个页面,2ˆ5 = 32 得知页号部分占5位,由“每页为1KB”,1K=210,可知内页地址占10位。

    由“内存为16KB”,2^4=16得知块号占4位。

    逻辑地址0A5C(H)所对应的二进制表示形式是:0000101001011100,后十位1001011100是页内地址,

    00010为为页号,页号化为十进制是2,在对照表中找到2对应的物理块号是11,11转换二进制是1011,即可求出物理地址为10111001011100,化成十六进制为2E5C;

    即则逻辑地址0A5C(H)所对应的物理地址是2E5C;

    总结:仔细研究上面的两种方法,其实是一样的。第二种的已经页面大小为1KB,然后就是2的10次方,所以后面10位是偏移地址,前面的是页号。其实用逻辑除页面大小2的10次方,结果是一样的。

    一.段页式存储-地址转换

    访问3次内存,第一次是段表,第二次是页表,第三次是真正物理内存

    1.基本原理:是分页与分段的结合,即先将拥护程序分为若干段,再把每个段分为若干页,并为每个段赋予一个段名。

    2.地址结构:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    3.地址变换:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    4.一个逻辑地址为:基地址x、段号s、页号p和页内地址d,求物理地址

    (((x)+s)+p)*2^(11)+d

    5.计算的方法和页式存储是一样的,首先除以页面大小,得到偏移地址,然后根据页面的多少,和段的多少得到他们分别占的位数就能计算出段号和页号了。

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  • 目录页式存储管理段式存储管理分页和分段存储管理的主要区别段页式存储管理 页式存储管理 1. 基本原理 页式存储管理是把主存储器划分成大小相等的若干区域,每个区域称为一块,并对它们加以顺序编号,如0#块、1#块...

    页式存储管理

    1. 基本原理

    页式存储管理是把主存储器划分成大小相等的若干区域,每个区域称为一,并对它们加以顺序编号,如0#块、1#块等等。与此对应,用户程序的逻辑地址空间划分成大小相等的若干,同样为它们加以顺序编号,从0开始,如第0页、第1页等。 页的大小与块的大小相等。
    分页式存储管理的逻辑地址由两部分组成:页号和页内地址。其格式为:
    在这里插入图片描述

    2. 存储空间的分配与去配
    分页式存储管理把主存空间划分成若干块,以块为单位进行主存空间的分配。由于块的大小是固定的,系统可以采用一张主存分配表来记录已分配的块、尚未分配的块以及当前剩余的空闲块总数。最简单的办法可用一张“位示图”来记录主存的分配情况。
    例如主存的用户区被划分成512块,则可用字长为32位的16个字的位示图来构成一张主存分配表,位示图中的每一位与一个物理块对应,用0/1表示对应块的占用标志(空闲/已占用),另用一个字节记录当前系统的剩余空闲块总数。
    在这里插入图片描述
    进行主存分配时,首先查看空闲块总数是否能够满足作业要求,若不能满足,则不进行分配;若能满足,则从位示图中找出为“0”的位,并且将其占用标志置为“1”,并从空闲块总数中减去本次占用的块数,按找到的位计算出对应的块号,建立该作业的页表,并把作业装入对应的物理块中。
    由于每一块的大小相等,在位示图中查找到一个为“0”的位后,根据它所在的字号、位号,按如下公式可计算出对应的块号:
    块号=字号×字长+位号
    当一个作业执行结束时,则应该收回作业所占的主存块。根据归还的块号计算出该块在位示图中对应的位置,将占用标志修改为“0”,同时把归还块数加入到空闲块总数中。假定归还块的块号为i,则在位示图中对应的位置为:
    字号=[ i / 字长 ], 位号=i mod 字长
    其中[ ]表示对i除以字长后取其整数,而mod表示对i除以字长后取其余数部分。

    3. 页表与地址转换
    在分页式存储管理系统中,允许将作业的每一页离散地存储在主存的物理块中,但系统必须能够保证作业的正确运行,即能在主存中找到每个页面所对应的物理块。为此,系统为每个作业建立了一张页面映像表,简称页表。页表实现了从页号到主存块号的地址映像。作业中的所有页(0~n)依次地在页表中记录了相应页在主存中对应的物理块号。页表的长度由进程或作业拥有的页面数决定。
    在这里插入图片描述
    调度程序在选择作业后,将选中作业的页表始址送入硬件设置的页表控制寄存器中。地址转换时,只要从页表寄存器中就可找到相应的页表。当作业执行时,分页地址变换机构会自动将逻辑地址分为页号和页内地址两部分,以页号位索引检索页表,如果页表中无此页号,则产生一个“地址错”的程序性中断事件;如果页表中有此页号,则可得到对应的主存块号,再按逻辑地址中的页内地址计算出欲访问的主存单元的物理地址。因为块的大小相等,所以
    物理地址=块号×块长+页内地址
    在这里插入图片描述

    4. 总结

    • 目的
      减少分区管理的“碎片”,提高内存利用率。
    • 实现原理
      各个进程的虚拟空间被划分为若干个长度相等的页,并为各页加以编号,如第0页、第1页等 ;
      内存空间也按相同的页大小划分为存储块,称为(物理)块或页框(frame), 也同样为它们加以编号,如0#块、1#块等等。
      为进程分配内存时,以块为单位将进程的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。
      采用页表进行页和块的一一对应。
      在这里插入图片描述

    段式存储管理

    用户编制的程序是由若干组成的:一个程序可以由一个主程序、若干子程序、符号表、栈以及数据等若干段组成。每一段都有独立、完整的逻辑意义,每一段程序都可独立编制,且每一段的长度可以不同。
    段式存储管理支持用户的分段观点,具有逻辑上的清晰和完整性,它以段为单位进行存储空间的管理。

    1. 原理
    每个作业由若干个相对独立的段组成,每个段都有一个段名,为了实现简单,通常可用段号代替段名,段号从“0”开始,每一段的逻辑地址都从“0”开始编址,段内地址是连续的,而段与段之间的地址是不连续的。
    其逻辑地址由段号和段内地址两部分所组成:
    在这里插入图片描述

    2. 空间的分配与去配
    分段式存储管理是在可变分区存储管理方式的基础上发展而来的。在分段式存储管理方式中,以段为单位进行主存分配,每一个段在主存中占有一个连续空间,但各个段之间可以离散地存放在主存不同的区域中。为了使程序能正常运行,即能从主存中正确找出每个段所在的分区位置,系统为每个进程建立一张段映射表,简称“段表”。每个段在表中占有一个表项,记录该段在主存储器中的起始地址和长度。段表实现了从逻辑段到主存空间之间的映射。
    在这里插入图片描述
    如果在装入某段信息时找不到满足该段地址空间大小的空闲区,则可采用移动技术合并分散的空闲区,以利于大作业的装入。
    当采用分段式存储管理的作业执行结束后,它所占据的主存空间将被回收,回收后的主存空间登记在空闲分区表中,可以用来装入新的作业。系统在回收空间时同样需要检查是否存在与回收区相邻的空闲分区,如果有,则将其合并成为一个新的空闲分区进行登记管理。
    段表存放在主存储器中,在访问一个数据或指令时至少需要访问主存两次以上。为了提高对段表的存取速度,通常增设一个相联寄存器,利用高速缓冲寄存器保存最近常用的段表项。

    3. 地址转换与存储保护
    段式存储管理采用动态重定位方式装入作业,作业执行时通过硬件的地址转换机构实现从逻辑地址到物理地址的转换工作,段表的表目起到了基址寄存器和限长寄存器的作用,是硬件进行地址转换的依据。
    在这里插入图片描述

    分页和分段存储管理的主要区别

    分页和分段系统都采用离散分配主存方式,都需要通过地址映射机构来实现地址变换,有许多相似之处。但两者又是完全不同的。具体表现如下。

    • 页是信息的物理单位,是系统管理的需要而不是用户的需要;而段则是信息的逻辑单位,它含有一组意义相对完整的信息,分段是为了更好地满足用户的需要。
    • 页的大小固定且由系统决定,因而一个系统只能有一种大小的页面;而段的长度却不固定,由用户所编写的程序决定,通常由编译程序对源程序进行编译时根据信息的性质来划分。
    • 分页式作业的地址空间是一维的,页间的逻辑地址是连续的;而分段式作业的地址空间则是二维的,段间的逻辑地址是不连续的。

    段页式存储管理

    段式存储管理支持了用户的观点,但每段必须占据主存储器的连续区域,有可能需要采用移动技术汇集主存空间,为此,兼用分段和分页的方法,构成可分页的段式存储管理,通常被称为是“段页式存储管理”。段页式存储管理兼顾了段式在逻辑上的清晰和页式在管理上方便的优点。

    1. 原理
    用户对作业采用分段组织,每段独立编程,在主存空间分配时,再把每段分成若干个页面,这样每段不必占据连续的主存空间,可把它按页存放在不连续的主存块中。
    段页式存储管理的逻辑地址格式如下:
    在这里插入图片描述
    段页式存储管理为每一个装入主存的作业建立一张段表,且对每一段建立一张页表。段表的长度由作业分段的个数决定,段表中的每一个表目指出本段页表的始址和长度。页表的长度则由对应段所划分的页面数所决定,页表中的每一个表目指出本段的逻辑页号与主存物理块号之间的对应关系。
    在这里插入图片描述

    2. 地址转换机制
    执行指令时,地址机构根据逻辑地址中的段号查找段表,得到该段的页表始址,然后根据逻辑地址中的页号查找该页表,得到对应的主存块号,由主存块号与逻辑地址中的页内地址形成可访问的物理地址。如果逻辑地址中的段号超出了段表中的最大段号或者页号超出了该段页表中的最大页号,都将形成“地址越界”的程序性中断事件。
    可以看出,由逻辑地址到物理地址的变换过程中,需要三次访问主存,第一次是访问主存中的段表,获得该段对应页表的始址,第二次是访问页表,获得指令或数据的物理地址,最后再按物理地址存取信息。
    在这里插入图片描述

    3. 特点

    • 每一段分为若干页,再按页式管理,页间不要求连续;
    • 用分段方法分配管理作业或进程,用分页方法分配管理内存;
    • 兼有段式和页式管理的优点,系统复杂性和开销增大.
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  • Visual Studio 2008,MFC,操作系统课程设计,段页式存储管理。。。。
  • 如上图所示,系统中的一个作业的地址空间结构页面尺寸为4K字节,该作业有三个分段,第一为 15K字节,占4,最后一只有1K未用;其它同理。未足一大小的补为一。 如上图所示,系统可允许有4096,每有...

    基本思想:

    用分段方法来分配和管理虚拟存储器,用分页方法来分配和管理实存储器(即主存)。

    地址空间

    一个程序首先被划分成若干程序段,每一段给予不同的分段标识符,然后,对每一分段又分成若干个固定大小的页面。
    在这里插入图片描述

    如上图所示,系统中的一个作业的地址空间结构页面尺寸为4K字节,该作业有三个分段,第一段为 15K字节,占4页,最后一页只有1K未用;其它段同理。未足一页大小的补为一页。
    在这里插入图片描述

    如上图所示,系统可允许有4096段,每段有256个页面 ,每个页面大小为4K字节。对程序员,编址方式或编译程序给出的目标程序的地址形式仍然是二维的,即段号S和段内相对地址W’;而只是由地址变换机构,把W’ 的高8位解释为页号P,把低12位解释为页内相对地址(位移量)W。

    控制寄存器、段表、页表与主存的关系图

    在这里插入图片描述

    地址变换

    地址变换过程如下:

    ⑴从控制寄存器读取段表始址,找到段表;
    ⑵段号+段表始址 得到段描述子地址;
    ⑶从段描述子读取页表始址,找到页表;
    ⑷页号+页表始址得到页描述子地址;
    ⑸从页描述子读取物理块号;
    ⑹物理块号+页内位移量得到物理地址。
    在这里插入图片描述

    上述的地址变换至少要访问主存三次,这将使执行程序的速度大大降低。为了解决上述问题,可以采取前边讲过的“快表”技术。

    段页式存储管理算法

    在这里插入图片描述

    中断处理模块的主要功能:

    链接障碍中断:实现动态链接。其主要工作是:给用符号命名的分段分配一个段号 ;在相应段表及现行调用表中,为其设置表目;利用段号改造链接 间接字。
    缺段中断:在系统的现行分段表中建立一个表目(若曾调入过,则只需改变状态) ;为调进的段建立一个页表,并在其段表的相应表目中登记此页表的起始地址。
    缺页中断:在主存中找出空闲的存储块。如没有,则调用置换算法,移去主存中的 一页,然后调进所需页面;最后修改相应的页表表目。

    注意:在这里,一个分段是每次一页地调入主存的,所以,分段中那些不被访问的页面就不会被调入主存。

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    千次阅读 2019-03-31 11:15:51
    再把若干分成若干 为每一个赋予一个名 地址结构 地址变换过程 配置一个表寄存器(存放表始址和表长度) 将逻辑地址的段号S和表长度比较TL,TL < S 表示地址越界 若为越界,则用表始址和段号.....
  • 本次课程设计采用一些常用的存储器分配算法,设计一个请求页式存储管理模拟系统并调试运行。通过随机数产生一个指令序列,将指令序列变成为页地址流,计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率。

空空如也

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段页式存储

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