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文档简介
1、存储器管理分析总结、理解主存管理需要实现的功能1 、地址映射1)定义:为了保证 CPU执行指令时可正确访问存储单元,需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,此过程即为地址映射。2)地址映射分类:a. 静态重定位当用户程序被装入内存时,一次性实现逻辑地址到物理地址的转换,以后不再转换(一般在装入内存时由软件完成)。b. 动态重定位在程序运行过程中要访问数据时再进行地址变换(即在逐条指令执行时完成地址映射。一般为了提高效率,此工作由硬件地址映射机制来完成。由硬件支持,软件硬件结合完成。硬件上一般需要一对寄存器的支持)。3)个人理解:a.地址映射的目的:增加逻辑地址的概念,可以
2、理解为系统为每个任务提供了一个虚拟内存,任务执行时同时存在两个内存,虚拟内存和物理内存,操作系统对虚拟内存进行操作,对内存管理起来更方便;而物理内存主要就是对应硬件的真实地址;b.地址映射的步骤:对于静态地址映射,在程序烧写到处理器时,已经完成了地址的映射,并且映射关系已固定,一般内核中大部分代码就是实现的静态地址 映射;对于动态地址映射,首先操作系统先申请一块虚拟内存,之后调用映射函数之后,才实现了物理内存的分配,这个主要用于用户进程中。2 、主存储空间的分配和释放1 )定义:合理地分配和使用存储空间也是内存管理的重要内容,通过实时合理的分配和释放内存,能达到内存使用率的最大化。2)个人理解
3、:这个所谓的主存储的分配和释放,是指操作系统是否对虚拟内存进行管理分配,不是完全有用户程序决定。3 、主存储空间的保护1 )定义:对于主存储器而言,其同时存在多个用户程序和系统软件。为使系统正常工作,必须防止由于一个用户程序出错而破坏同时存在主存内的系统软件或其他用户的程序,还须防止一个用户程序不合法地访问并非分配给它的主存区域。因此,存储保护是多道程序和多处理机系统必不可少的部分,也是存储管理中非常重要的一部分。2)存储保护方法分类:a.对于连续存储区域,采用防止地址越界方法:采用界限寄存器,限定存储区域的上下界限。b.对于非连续存储区域,采用防止操作越权方法:(这其中又可以细化为二种方法)
4、-键式保护:每个页面区域都包含一个存储键,表明了存储区域控制和保护的信息。-环状保护:把系统程序和用户程序按重要性分层,称为环,对每个环都规定访问它的级别,违反规定的存取操作是非法的,以此实现对正在执行的程序的保护。3)个人理解:a.后面的所有存储保护机制都是采用防止地址越界和防止操作越权两种方法来实现的。4 、主存储空间的共享1 )定义:允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存。共享内存是在两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中,所有进程都可以访问共享内存中的地址。2)优点:使
5、用共享内存进行进程间的通信实现方便,数据的共享还使进程间的数据不用传送,而是直接访问内存,也加快了程序的效率。3)缺点:多个进程使用共享内存块时,必须达成一种协议,不然会造成混乱,这个必须通过其他的比如信号量等方式来实现。5 、主存储空间的扩充1 )定义:有限的内存容量远远不能满足大程序以及共存于内存的多个程序的存储要求,这就得借助于一些存储技术来实现内存的扩充。2)实现方法:一般采用虚拟存储技术(涉及到交换技术),其使每个用户作业都对应有一个虚存,用户编程时不必考虑实存的大小,也就是说,一个虚拟存储器就是一个作业的逻辑地址空间。虚存的容量与内存的容量没有直接联系,而是由处理机的地址线的位数来
6、决定的。其具体实现采用了交换技术,实现缓存和内存之间的交换。、主存管理方式的发展及其对比1、连续存储空间管理方式具体有多种形式别连续存储空间管理方式小类 别无管理单一分区固定分区(亦为睁态分区)动态分区定义无操作系统用于对于内 存的管理的方式有操作系统,内存分为系统区和用户区。系统区用于存放操作系统程序,用户区用于存放用户程序系统开机初启时,系统操作员根据当天作 业情况把上存的用户区划分成大小可以不 等但位置固定的分区系统根据进程需要分配内仔,不划分固定 分区特点1)由于没有操作系统内 存管理的支持,用户通过 自己编程负责所有的内 存管理工作,直接对物理 地址进行操作;2)仅有物理内存,没有
7、虚拟内存;3)不存在内存的分配和 释放问题,用户面对的是 一个内存全为生的内存, 用户可以以任意方式使 用内存,具有最大的灵活 性;4)仅适用于单道程序设 计。1)用户区最多存放一道用户程序。2)可以使用静态地址映射。 若启硬件(重 定位寄存器)的支持,也可以使用动态地 址映射;3)基本不存在存储扩充的问题。在上面 的右图中,若用户程序较大,覆盖了操作 系统程序中可被覆盖的部分,则当此用户 程序结束后,操作系统需重新加载被覆盖 的部分。这种方式在一定程序上扩充了用 户区域;4)不存在内存的分配和释放问题,用户 面对的用户区内存全为空,用户可以以任 意方式使用内存,具有最大的灵活性;5) 一般仅
8、适用于单道系统。所以这种方 式具有单道系统的所有缺点,主要是系统 效率小局;6)使用交换技术,也可以支持多道系统。1)存储管理需设置一张“生存分配表”, 用以记录主存中划分的分区和分区的使用 情况。一个程序需要加载运行,系统可 以择一个大小合适的空闲分区分配出去。 当程序结束而释放分区时,将分区状态设 置为空闲即可;2)存在内部碎片(分区内未被利用空间); 3)实现地址映射。静态地址映射或者动态 地址映射;4)实现存储保护,防止地址越界和防止操 作越权;5)实现共享很困难;6)可以使用交换技术或彳复蛊技术力充内 存。1)不对用户区实施固定分区,在实现上存 储空间的分配和释放时,由操作系统根据
9、用户需要来分配内存;2)这样产生的问题是容易产生内存外部碎 片(难以利用的小空闲分区),可以采用 拼接技术,解决碎片问题。3)程序动态增长问题,如果该程序相邻的 分区是空闲的,将此空闲分区分配给该进 程;若与该程序相邻的分区不空闲,则将 该程序移动到一个更大的空闲分区中,或 者将内存中的一个或多个非空闲分区交换 到磁盘上的交换区中,若交换区已满,则 该程序只能等待或者被杀死。4)其唯一的优点就是实现简单。较之管方的别 相于前理式区1)无地址映射2)无主存分配和释放3)无存储保护4)无主存储空间的共享5)无主存储空间的力,充1)实现了地址映射,可以采用静态地址 映射或动态地址映射2)实现存储保护
10、,静态地址映射采用 防 止地址越界方法,动态地址映射采用防止操 作越权方法3)可以牺牲系统区来扩充内存,方法不 是很好1 )在内存分配时,把用户区分成一个个 固定大小的分区,再来分配2 )实现主存储空间的分配和释放,系统 对用户区分配实行控制3)使用交换技术或覆盖技术扩充内存, 仍存在问题1 )改善了主存储空间的分配和释放,摒 弃了用户区固定分区亟待 优化 功能1)预先规定了分区大小,使得大程序无法 装入2)主存空间的利用率小局,一个作业不可 能恰好填满分区;同时一个作业运行中要 求动态扩充主存,采用固定分区难实现 3)各分区作业要共享程序和数据也难实 现。4)分区的数目是在系统初启时确定的,
11、这 就限制了多道运行的程序数。1)对空间分配的连续性要求使得对于空间 的使用不灵活,导致空间使用效率小局。2)存在碎片问题,也会导致空间使用效率 降低。尽管可以使用拼接技术解决碎片问 题,但是拼接技术是一个成本很高的方法。 提高分配阀值虽有助于减少碎片,但是会 降低内存使用空间效率。3)程序的动态增长较困难。4)几乎不支持虚拟存储技术5)不支持内存共学。2、非连续存储空间管理方式也具有多种形式大类别非连续存储空间管理方式小类别页模式段模式段页模式定义通过对内存分页,实现虚拟存储技术通过对内存分段,实现虚拟存储技术通过对内存分段同时分页,实现内存管理特点1)分页机制支持虚拟存储技术;2)虚拟存储
12、技术,用户只关心虚拟地址, 其物理地址的实现可以通过交换技术, 实现缓存和内存的切换,从而实现对内 存的扩充;3)使用分页时,每个端被划分为页面(通 常每贝4KB),贝囿存储与物理内存或硬 盘上,操作系统通过维护一个页目录和 一些页表来留后这些贝表信息;4)分页管理页面的保护,可米用的是防 止操作越权的保护方式,在页表中增加 一些访问标志位;也可采取存储保护键 作为保护机制;或者越界访问控制。1)实现内存分段,通过段模式实现对上存储 器的共享操作。1)段页式管理的地址映射,实现段和页的二级映 射虚拟地址到线性地址再到物理地址;2)段页式管理是基十页式管理的分配与释放,所 以段页式管理的主存分配
13、与释放和页式管理相同;3)段页式管理所支持的虚拟存储综合分页和分段 的虚拟存储;4)段页式管理所支持的共享与保护综合和分页和 分段的共享与保护。需要注意的是,可能存在两级 访问控制:段的访问控制和页的访问控制,显然, 页的访问控制不能超过段的访问控制。相较于之前 管理方式的 区别1)增加页概念,优化了存储保护;2)主存储空间的扩充中实现了虚拟存储技本,1)区别十页模式的一种段模式处理方式; 2)实现了主存储的共享问题。1)实现地址映射2)实现主存分配和释放3)实现存储保护4)实现主存储空间的共享5)实现主存储空间的力,充亟待优化功 能1)对于内存的共享没有很好的解决1)庞大的映射表对于存储来说
14、也种负担;2)不断查询映射表也会增加系统负担,影响系统 效率。3、页模式、段模式和段页模式的深层次对比分析类别页模式段模式段页模式目的1 .页是信息的物理单位;2 .分页是为实现离散分配方式,以消 减内存的外零头,提身内存的利用率;3 .分页仅仅是由于系统管理的需要, 而不是用户的需要1 .段是信息的逻辑单位,它含有 一组具意义相对完整的信息。2 .分段的目的是为了能更好的满 足用户的需要1 .分页系统能有效地提高内存的利用率, 而分段系统能反映程序的逻辑结构,便于 段的共享与保护,将分页与分段两种存储 方式结合起来,就形成了段页式存储管理 方式;2 .在段页式存储管理系统中,作业的地址 空间
15、首先被分成若干个逻辑分段, 每段都 有自己的段号,然后再将每段分成若干个 大小相等的页。对于主存空间也分成大小 相等的页,主存的分配以页为单位;3 .段页式系统中,作业的地址结构包含三 部分的内容:段号 页号 页内位移量4 .程序员按照分段系统的地址结构将地 址分为段号与段内位移量,地址变换机构 将段内位移量分解为页号和页内位移量; 5.为实现段页式存储管理,系统应为每个 进程设置一个段表,包括每段的段号,该 段的贝表始址和贝表长度。每个段有自己 的贝表,记录段中的每一页的页号和存放 在主存中的物理块号。长度1.页的大小固定且由系统确定,把逻 辑地址划分为页号和页内地址两部 分,是由机器硬件实
16、现的,因而一个 系统只能有一种大小的贝囿1.段的长度却不固定,决定于用 户所编写的程序,通常由编辑程 序在对源程序进行编辑时,根据 信息的性质来划分地址表示1.分页的作业地址空间是维一的,即 单一的线性空间,程序员只须利用一 个记忆符,即可表小一地址1.分段的作业地址空间是二维 的,程序员在标识一个地址时, 既需给出段名,又需给出段内地 址存取权限1.只有读和写1.有读、写和执行内存连续性1.物理内存小连续1.物理空间不连续,但段内连续优势1.也可以实现程序和数据的共享,但 没有段模式方便易行1.易于实现段的共享,允许若干 个进程共享一个或多个分段,且 对段的保护也十分简单易行三、分页管理机制
17、1、页式管理的基本概念分页机制支持虚拟存储技术。在使用虚拟存储的环境中,大容量的线性地址空间需要使用小块的物理内存以及某些外部存储空间来模拟。使用分页时,每个端被划分为页面(通常每页4KB),页面存储于物理内存或硬盘上,操作系统通过维护一个页目录和一些页表来留意这些页表信息。2、页表结构1S箍页号物理块号中就位改变位引用it睛存地址a间标记主存10老程3W页表瓦河w号tfttlOOCLOO1: Si-r,皇芷1至理跑M之宝;,H内它把土式W二空司号3卮期o c 0 0 1 0蛆址LL、亨£蜕魔法二51要土冏,一二运案二二万号-R疗 W 力 犬 二至表土生小- 史.工春 孟煌学1L.
18、-"-, r-_ "" 笠k事W3、页式管理的地址映射4、页式管理要解决的一些问题1)如何标识一个页是否位于内存中。2)当需要从若干个已经在内存中的逻辑页中选择一个淘汰掉,那么淘汰哪一个。3)若已经决定将某页淘汰,但是发现此页是一个脏页( dirty page),即该页被放置到内存中后,曾经被修改过,那么如何标识一个脏页,又如何淘汰脏页。4)从理论上来说,仅分配给该程序一个内存块就可以使程序运行,这样做会有什么后果?给一个程序分配多少个内存块是合适的?分配给一个程序的内存块数是 固定的,还是随着程序的执行,分配给程序动态变化的内存块数?在程序执行之初,应该初始分配
19、给程序多少个内存块。5)对于较大的程序,以至于其页表本身的大小超过一个页的大小时,如何解决页表本身的存储问题。6)系统中存在多个并发进程,每个进程都拥有一张页表,所有的页表加起来会占用很多内存空间,那么如何降低页表所需的内存空间。四、分段管理机制1、分段管理的基本概念分段提供了隔绝各个代码、数据和堆栈区域的机制,因此多个程序(任务)可以运行在同一个处理器上而不会互相干扰。分段机制把处理器可寻址的线性地址空间划分成一些较小的称为段的受保护地址空间区域。为了定位指定段中的一个字节,程序必须提供一个逻辑地址,逻辑地址包括一个段选择符和一个偏移量,段选择符是一个段的唯一标识,同时还提供了段描述符表中一
20、个数据结构的偏移量。线性地址空间与物理地址空间具有相同的结构。相对于两维的逻辑地址空间来说,它们两者都是一维地址空间。虚拟地址空间可以包含最多16K个段,而每个端最长可达 4GB,所以虚拟地址空间容量达到 64TB (2人46)。线性地址空间和物理地址空间都是4GB (2人32)。实际上,如果禁用分页机制,线性地址空间就是物理地址空间。程序1的度当地之兰底2、分段管理的地址映射3、段式管理的段共享与保护段号段长访问控制其它字段段基址0 孑 , 事 P1L访问控制1 2 叶 « 1 t 进程1的段表0* *> 4 « 1>1« p t 1 )t V p2
21、L访问控制2 3'» M 进程2的段表物理地址空间五、段页式管理机制图段式管理的段共享1、段分段管理的基本概念是字士的塞拉提址空间国玲工之管理的身唳用工次片屋匕址三司2、段分段管理的地址映射P六、Linux的内存管理机制未完待续.鱼知水恩,乃幸福之源也。鱼离不开水,人离不开亲人和朋友,当你处于逆境和灾难时,帮助你一臂之力,渡过难关的人,都是你的亲人和朋友。吃水不忘挖井人,度过苦难,不能忘记援助过你的人。知恩图报,善莫大焉。一个人要想获得幸福,必须懂得感恩。生活需要一颗感恩的心来创造,一颗感恩的心需要生活来滋养。一饭之恩,当永世不忘。顺境里给你帮助的人,不能全部称作朋友,但是能
22、够在你逆境时依然愿意援助你,走出困境的人,一定是你要用一生去感谢和珍惜的人。唐代李商隐的晚晴里有这样一句诗:天意怜幽草,人间重晚晴。久遭雨潦之苦的幽草,忽遇晚晴,得以沾沐余辉而平添生意。当一个人闯过难关的时候,一定要记住那些支撑你,陪你一起走过厄运的朋友和亲人,这个世界谁也不亏欠谁,帮你是情分,不帮你是本分。如古人所说:淡看世事去如烟,铭记恩情存如血。学会感恩父母养育之恩,学会感恩朋友的帮助之情,生活里做一个有情有义的人。你要知道,父母,永远是你最亲近的人,是最爱你的人,不管他们的方法怎么错误?可是爱你的心,都是一样的。千万不要因为自己一时的私心,而忘记感恩。我们常常希望别人都对自己有情有义,可是想得到别人你真情,首先你必须先付出真情。你帮助别人,不要记在心里,别人帮助你,你要懂得感恩和感动,而不是当做理所当然。你要知道别人帮你是情分,不帮你是本分。侍父母,要孝顺,对朋友,要真诚。不管你生活的精彩或
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