2012年自考工學類“操作系統原理”復習資料(3)
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本章考核知識點：1、重定位2、固定分區存儲管理3、可變分區存儲管理4、頁式存儲管理5、段式存儲管理6、虛擬存儲器
自學要求：明確存儲管理的職能是對主存儲器中的用戶區域進行管理;理解在不同的管理方式下如何實現存儲保護、地址轉換、以及主存空間的分配和回收;比較各種管理方式的特點;掌握虛擬存儲器的實現原理和方法。
重點是：各種管理方式的特點;可變分區方式的主存分配算法以及移動技術;分頁式虛擬存儲管理的實現以及頁面調度算法;分段式虛擬存儲管理的實現。
操作系統的存儲管理如同一個大地主，管著一個大莊園，當有農戶需要租用田地時，地主就給分配一塊地讓他種(用戶區分配)。等到地里長出了果實(結果出來后，地主還得來收回這塊地(去配)。
為了管好這片田地，地主還要管好莊園的門，凡是要進去種地的，都得由地主根據他的需要讓他到位置確定實際的田地上去干活。(把邏輯地址轉換成物理地址)
莊園里還有一些大家共同可以使用的地方，比如地主的花園，工具房等，大家可以進去，也可以使用，但是不許改變任何現有的東東，還有，每個農戶只能在自己的地里刨食吃，如果有人膽敢到別人地里或地主的花園里摘花偷食，可要當心他們養的狼狗跳出來哦。(共享和保護)
當然，再大的地也是不夠多的，地主為了多賺些錢，當所有的地都租出去的時候，他想辦法把有些種田人暫時不種的那塊地里的東東連地皮一起挖出來放到倉庫里先堆著。把地騰出來租給別人種(這一招可夠絕的，不過地主說啦，這就是“虛擬存儲”。)
你說這個地主是好是壞??
概述：本章討論的是主存儲器空間的管理。主存儲空間分成系統區和用戶區兩部分。存儲管理的功能包括：主存空間的分配和去配、實現地址轉換、主存空間的區享和保護和主存空間擴充。
一、重定位(領會)轉自環 球 網 校edu24ol.com
1、區分邏輯地址與絕對地址。
絕對地址：主存儲器以字節為編址單位，容量為n的主存儲器中，每個單元有唯一的編號，從0到n-1，這個唯一的編號就是主存儲器的物理地址。
比如我們現在用的128MB內存條中就有128×1024×1024=134217728字節，所以它的內存絕對地址就是從0到134217727 101到200號那100塊地就分給你吧，以后你要找哪塊地養鴨養魚的，就得按我給你編的號來找。每個地址都已經加上100了，不會找錯吧。別說我沒講清楚哦。
至于動態重定位，莊主笑道：這個我也能做到，這么實現的：李四來租地時，我也不問他，直接把他帶到空閑的一片地方。派人記著這那片地的第一個地址。比如說是100號吧。李四這個笨小子干著干著會叫起來說：“老板，現在我要到32號地里抓魚!”旁邊人一聽，馬上告訴他“哎呀，你現在已經分了地啦，起始地塊是100號，那你就得到132號地去才對!”就這樣，李四每一次要找地方時，都叫別人給他重新算一下。這樣他才不會找錯位置。這樣也有一個好處，就是如果有人出價更好，我可以讓他搬到別處去干活，反正都是叫別人給他重新算位置，所以他就不用記住搬地方后的物理地址啦。
(1)靜態重定位
在裝入一個作業時，把作業中的指令地址和數據地址全部轉換成絕對地址。這種轉換工作是在作業開始前集中完成的，在作業執行過程中無需再進行地址轉換。所以稱為“靜態重定位”。
(2)動態重定位
在裝入一個作業時，不進行地址轉換，而是直接把作業裝到分配的主區域中。在作業執行過程中，每當執行一條指令時都由硬件的地址轉換機構轉換成絕對地址。這種方式的地址轉換是在作業執行時動態完成的，所以稱為動態重定位。
動態重定位由軟件(操作系統)和硬件(地址轉換機構)相互配合來實現。動態重定位的系統支持“程序浮動”，而靜態重定位則不能。
二、固定分區存儲管理(領會)
分區存儲管理是把存儲器中的用戶區作為一個連續區或分成若干連續區進行管理。早先使用一個分區的存儲管理，后發展成多分區的存儲管理。多個分區的管理可采用固定分區方式和可變分區方式。
1、固定分區存儲管理的原理
固定分區的意思就是指主存空間劃分成若干連續區后，這些分區的大小和個數就固定不變。
固定分區管理利用一張“主存分配表”說明各分區的情況。裝入和結束作業均通過這個分區表來記錄分區使用的變化情況。
2、如何實現存儲保護
固定分區管理可采用靜態重定位的方式裝入作業。裝入程序把作業中的邏輯地址轉換為絕對地址。并檢查絕對地址是否在指定(裝入)的分區內，如果是，就裝入這個作業。否則就不能裝入。如果裝入主存分區的作業占用處理器時(注意，是運行時)，進程調度程序(不是裝入程序了)必須把作業所在分區的上下限地址存入“下限寄存器”和“上限寄存器”中，這樣可以在指令執行中判斷其所用到的絕對地址是否越界，達到存儲保護的目的。
3、怎樣提高主存空間的利用率這里有幾種辦法：
(1)分區按大小順序排列，這樣可以使作業總是先使用滿足要求的最小分區。
(2)根據經常出現的作業大小和頻率劃分分區。
(3)按作業的對主存空間的需求量排成多個隊列，規定隊列與分區的對應關系。也就是說多大的作業只能放在多大的分區里，就算有更大的分區空著，也不許他進入。
三、可變分區的管理(領會)
可變就是指分區的大小和位置不是固定的，而是根據作業要求的主存量來分配分區的大小。
1、主存的分配和去配(回收)
在系統初始化時，主存除了操作系統所占部分外，整個用戶區是 大的空閑區，可以按作業需要的空間大小順序分配空閑區直到不夠時為止。
當作業結束時，它的占用分區被收回。這個空閑區又可以根據新作業的大小重新用于分配，所以主存中的已占分區和空閑區的數目和大小都是在變化的。可以用兩張表“已分配區表”和“空閑區表”來記錄和管理。
2、常用的分配算法
最先適應分配算法：簡單地說，就是在分區表中順序查找，找到夠大的空閑區就分配。但是這樣的分配算法可能形成許多不連續的空閑區，造成許多“碎片”，使主存空間利用率降低。
最優適應分配算法：這種算法總是挑選一個能滿足作業要求的最小空閑區。但是這種算法可能形成一些極小的空閑區，以致無法使用，這也會影響主存利用率。
最壞適應分配算法：這種算法和上面的正好相反，它總是挑一個最大的空閑區分給作業使用，使剩下的空間不至于太小。
3、地址轉換與存儲保護
采用可變分區方式管理時，一般均采用動態重定位方式裝入作業。也就是每讀一條指令，都要變換一次地址。變換要靠硬件支持，主要是兩個寄存器：基址寄存器和限長寄存器，限長寄存器存放作業所占分區的長度，基址寄存器則存放作業所占分區的起始地址，這兩個值確定了一個分區的位置和大小。
轉換時根據邏輯地址與限長值比較，如果不有超過這個值，表示訪問地址合法，再加上基址寄存器中的值就得到了絕對地址了，否則形成“地址越界”中斷。達到存儲保護的目的。
對于共享程序，則硬件提供兩組限長寄存器和基址寄存器。訪問時對訪問區享區和作業區的地址分別進行轉換。
4、移動技術的應用
移動技術要“移動”的東東就是主存空間中的作業。把某個作業移到另一處主存空間去(在磁盤整理中我們應用的也是類似的移動技術)，這樣的最大好處就是可以合并一些空閑區。
但是移動技術的應用也要注意以下問題。
移動會增加系統開銷。所以要盡量減少移動。
移動是有條件的，如果作業在執行過程中正等待與外圍設備傳輸信息，就不能移動。因此在移動時首先要判定該作業是否與外設交換信息。
四、頁式存儲管理(領會)
1、如何分頁和分塊
頁式存儲管理中有兩個名詞：“頁”和“塊”，其中的“塊”是針對硬件來說的，就是把存儲器分成若干相等大小的區，每個區就稱為一個塊。對應的，在程序中，邏輯地址進行“分頁”，其大小和每個塊相一致。
事實上，頁面的大小是由塊的大小自然決定的。對于程序來說，其邏輯地址還是和原來一樣采用連續的地址。只是按照塊的位數取其前面數位做為頁號。
分配空間時，根據作業長度可以確定它的頁面數，根據這個頁面數在主存中分配相應的塊數，只要是空閑塊就可以放入，即使不是相鄰的。并把分配情況記在“頁表”中，根據頁表可以找到相對應的頁號與塊號，就得出絕對地址了。
2、采用頁式管理，使主存空間充分利用，頁不必為了得到連續空間而進行移動。可以提高系統效率。
3、頁表的構造與作用
每個被裝入主存的作業都有一張頁表，指出該作業邏輯地址中的頁號與所占用的主存塊號之間的對應關系。頁表的長度由作頁擁有的頁面數決定，行號對應為頁號，行中記錄的是主存中的塊號。
頁表是硬件進行地址轉換的依據，每執行一條指令 時按邏輯地址中的頁號查找頁表并轉換成絕對地址。
在多道程序設計系統中，進入主存的每個作業都有一張頁表，由一個硬件“頁表控制寄存器”來記錄每個作業的頁表所在位置和長度以便作業轉換時同時轉換頁表。
4、快表的構造與作用
快表就是頁表的一部分克隆，每行中有頁號及其對應的塊號，整個快表存放在一個小容量的高速緩存中，訪問時快表和內存同時進行查找，因為快表速度很快，而常用的頁都登記在快表中，因此可以大大加快執行速度。
5、采用頁式管理的地址轉換過程
(為什么不直接用塊分配表來記錄而要用位示圖呢，因為主存塊很多，這樣可以節省空間，提高效率。位示圖就是用一個位(0或1)來表示一個塊的使用狀態，一個字32位，可以表示32塊。按順序排列，只需一小段內存就可以記錄主存中大量的塊狀態)
6、利用位示圖實現頁式存儲空間的分配和回收
頁式存儲管理把主存空間分成大小固定的許多塊，在裝業作業時，如何知道主存中哪些塊已使用，哪些還未用，可以用位示圖來表示。
塊號=字號×字長+位號
字號=[i/字長](即塊號i除以字長取整)
位號=imod字長(即塊號i除以字長取余)。
五、段式存儲管理(領會)
1、段式存儲中段的劃分
段式管理是根據人們對程序中需要分段編制的要求出發而提供的。它提供給用戶編程時使用的邏輯地址由“段號”和“段內地址”兩部分組成，其形式和頁式管理相同。但是實際上是不同的：
頁式存儲管理提供連續邏輯地址由系統自動分頁，段式存儲管理中的作業分段是由用戶決定的，每段獨立編程，因此段間的邏輯地址是不連續的。
2、段式存儲空間的分配
這種分配方法和可變分區管理方式的分配方法相同，所不同的是：
可變分區管理方式中是為每個作業分一個區，而段式管理是為一個作業中的每個段分一個連續的空間。(段式管理更細)。
3、段表的構造與作用
段表由段號、本段限長和起始地址三部分組成，由于每一行記錄的行號可以對應程序的段號，因此段號實際上被省略，不占存儲空間。
與其他管理方式一樣，段表記錄的信息用于地址轉換和存儲保護。段表的表目起到了基址/限長寄存器的作用。
4、段式存儲管理的地址轉換
這個轉換過程如同可變分區方式的地址轉換，但是由段表的表目替代了基址/限長寄存器。
絕對地址=根據段號找到段表中的起始地址+段內地址(如果段內地址超過限長則產生“地址越界”程序性中斷事件達到存儲保護)
多道程序設計系統中，每個進入主存的作業都建立了段表，因此還有一個硬件“段表控制寄存器”來記錄每個作業的段表在主存中的位置和長度。
六、虛擬存儲器(領會)
1、什么是虛擬存儲器
虛擬存儲器是為“擴大”主存容量而采用的一種設計技巧，它利用作業在只裝入部分信息時就可以執行的特性和程序執行中表現出來的局部性特性，借助于大容量的輔助存儲器實現小主存空間容納大邏輯地址空間的作業。
虛擬存儲器的容量由計算機的地址結構(總線位數)決定。
2、虛擬存儲器的實現原理
它的工作原理如下：首先把作業信息保留在磁盤上，當作業請求裝入時，只將其中一部分先裝入主存，作業執行中若要訪問的信息不在主存中，則再設法將這些信息裝入主存。
3、分頁式虛擬存儲器的實現
頁式虛擬存儲管理是在頁式存儲管理的基礎上實現的。首先把作業信息作為副本存放在磁盤上，作業執行時，把作業信息的部分頁面裝入主存儲器，作業執行時若所訪問的頁面已經在主存中，則進行地址轉換，得到絕對地址，否則產生“缺頁中斷”由操作系統把當前所需的頁面裝入主存。
4、常用的頁面調度算法：FIFO、LRU、LFU
當主頁中無空閑塊時，為了裝入一個頁面，就必須按某種算法將主存中某個頁調出，調入所需裝入的頁面。這就是頁面調度。常用的算法有：先進先出調度算法(FIFO)、最近最少使用調度算法(LRU)和最近最不常用調度算法(LFU)。
特別要注意掌握的就是LRU的算法，如何進行調度。
5、缺頁中斷率
如果作頁執行中訪問頁面的總次數為A，其中有F次訪問的頁面尚未裝入主存，則有F次缺頁中斷，f=F/A，這里的f就稱為缺頁中斷率。影響缺頁中斷的因素有：
分配給作業的主存塊數――塊數n↑f↓
頁面的大小――頁面大小↑f↓
程序編制方法――局部化程度↑f↓
頁面調度算法
6、段式虛擬存儲器的實現
段式虛擬存儲管理以段式存儲管理為基礎，在磁盤上保留作業的各個分段信息，作業執行時把需要執行的一段或幾段裝入主存。在實際使用中，也要進行查表和地址轉換以及“缺段中斷”和調度(包括調出、裝入、移動等)工作。
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