操作系统OS2(第二讲)

存储管理的目的是尽可能地方便用户和提高主存储器的效率。第二讲存储管理内存分配和回收内存空间的共享存储保护地址映射内存空间的扩充存储管理的功能：内存分配与回收在多道程序共享时，当作业或程序要求使用内存资源时，系统根据内存单元的当前状态，按照分配策略，为申请者分配足够的空闲区域，若无法满足，则让其等待直到分配。内存分配与回收管理内存分配表制定分配策略放置策略调入策略淘汰策略内存区域的划分方式

（大小相等、大小不等）内存空间的共享内存空间的共享是为了提高内存空间的利用率，共享的含义包括两方面：共享资源共享内存某些区域的信息存储保护

为了避免内存中的程序相互干扰，必须对内存中各程序，数据或信息区进行保护。同时还要防止受某些错误的破坏和干扰。地址映射内存空间是所有的内存物理地址（可访问的实际地址）的集合，所有的程序地址都是逻辑地址，多道程序系统中必须将逻辑地址转换为物理地址后程序才能执行。地址空间与存储空间

源程序经过编译或汇编后所形成的目标代码，通常采用相对地址，即其首地址为零，其他指令中的地址都是相对首地址而定。

物理地址的全体称为存储空间或地址空间。重定位：程序装入内存前为逻辑地址，为保证程序的执行，操作系统需要为它分配一个合适的存储空间，并将程序执行时要访问的地址空间中的逻辑地址变换成内存空间中对应的物理地址。静态重定位在用户程序运行前，在程序装入内存的过程中一次完成从逻辑地址到物理地址的转换，且在程序运行过程中地址不再改变。优点是无需硬件支持，通常用软件实现。

缺点是必须使用连续的内存空间，程序一经重定位就不能移动，不易实现程序的共享。静态重定位动态地址重定位

动态重定位的时间发生在程序执行过程中，在访问指令或数据时，才进行地址变换，把逻辑地址转换为物理地址。需要依靠硬件地址变换机构实现。动态地址重定位优点：可执行内存的动态分配，内存使用灵活，提供虚拟存储器的基础，提供较大的地址空间；通过对内存进行非连续的分配，提高内存利用率，有利于程序的共享。缺点：需要硬件支持，实现起来较静态地址映射复杂。5001000+010050012345LOAD1,5001100150012345LOAD1,500VRBR动态地址重定位内存空间的扩充为保证用户对大存储空间的需求，将内存和外存结合起来使用、管理。分区存储管理基本思想是把内存划分成若干个大小不等的连续区域，称为分区。每个作业可占用一个或多个分区。因不同的内存分配方式，又分为固定分区和可变分区。固定分区固定分区是将内存区固定地划分为若干个大小相等或不等的区域。除操作系统占用一个区域外，其余分区由用户作业共享。分区一旦划分后，在整个执行过程中分区的长度和总分区个数保持不变。分区存储管理固定分区操作系统作业A（6K）

作业B（25K）作业C（36K）020K28K60K124K256K第1分区第2分区第3分区第4分区（a)内存分配表(b)内存状态可变分区在存储分配的过程中按作业的大小来划分分区，使分区大小可以随作业对内存的要求而改变，同时分区的个数也可改变。这避免了小作业也可能占据大分区的情况，提高了内存的利用率。可变分区4K作业64K4K6K6K作业2、4释放作业6进入作业3释放空闲区合并10K4K4K6KOS作业1作业5作业1OS作业6作业5作业5OS作业1作业3作业5作业6作业1OS作业1作业2作业3作业4作业5存储分配策略首次适应算法最佳适应算法最坏适应算法覆盖与交换技术所谓覆盖就是一个作业的若干程序段，或几个作业的某些部分共享某一段内存区域，即一个内存区可以先后被不同的程序段重复使用，当某段程序不再需要该区域时另一程序可占用。覆盖

把内存划分为常驻区（非覆盖区）和覆盖区。常驻区用于驻留该作业的总控程序及常用的公用子程序。把可以进行覆盖的内存区称为“覆盖区”，可以相互覆盖的程序段称为“覆盖”。将大作业划分为若干个覆盖，作业执行时不要求同时装入内存的覆盖组成一组，称为“覆盖段”。覆盖段与覆盖区一一对应。覆盖与交换技术初始段处理段输出段OS总控程序公用子程序公用数据区0abc非覆盖区覆盖区典型的覆盖结构交换交换技术是指在内外存之间交换程序和数据。交换调度又称中级调度。系统在高速大容量的外存中（通常是磁盘）开辟一个进程交换区，作为内存的直接延伸。所有用户进程的实体都存放在交换区中。交换当需要将交换区中的进程实体调入内存时，若内存空间不够，则按某种调度策略挑选内存中的一个或多个进程，将其实体调出内存，换出到交换区。基本思想是用大容量的外存来扩充内存，利用虚拟技术为用户提供一个比有限的实际内存空间大得多的虚拟内存空间。采用“部分装入”，“部分交换”的策略。由分页存储管理、分段存储管理和段页式存储管理实现。虚拟存储管理

将逻辑地址空间分为大小相同的块，称为虚页面。将物理空间也划分为与页面大小相等的块，称为存储块。连续逻辑地址空间的页面，通过页面地址转换机构可以映射到不连续的内存块中。分页存储管理通过地址转换机制，能明显消除内、外存之间的差别，将外存看作内存的扩充和延伸。对地址空间的分页是由系统自动进行的。逻辑地址由相对页号和页内位移量（页内地址）两部分组成：03415相对页号P页内地址W物理地址也由块号及块内位移量（块内地址）两部分组成：块号

块内地址页面地址转换中的数据结构：存储分块表MBT（内存块的使用情况）页表PT（每个作业一张）页表控制寄存器PTCR作业表页描述子页号块号标志页面访问页面修改存取控制外存地址34108作业J1的页表PT作业表JT1024161024PTCR3100逻辑地址页号页内地址8100物理地址块号块内地址NN保护中断现场内存中有空闲块吗？该页面读入空闲块修改对应页表及存储分块表恢复中断现场

调用页面淘汰程序淘汰一页面被淘汰页面修改过？将该页面写回辅存修改存储分块表置该块为空闲YY缺页中断处理给出逻辑地址按页号相联查找快表找到相应块号？查找页表获得块号，将页表表目复制到快表中形成物理地址访问内存具有快表的地址转换用户的作业是按逻辑上有完整的段来划分的。将作业的地址空间按逻辑意义分段，以段作为内外存交换的单位。这样既利于程序设计，又可方便地按段名访问，易于实现对模块的保护和共享。段式存储管理3000500064001K0┆CALL[X]|<Y>┆LOAD1[A]|<D>STORE1[B]|<C>┆┆Y┆┆

D┆┆C┆分段X(子程序)分段A(数组)分段B(工作区)分段MAIN(主程序)段内地址段号分段逻辑地址分段地址空间段表表目段号段长起始地址特征位存取控制修改位增补位特征位——为1表示该段在内存，为0表示该段不在内存。存取控制——规定对该段的存取权限。以R表示允许读，W表示允许写，E表示允许执行等。修改位——为1表示该段在内存中修改过，为0表示该段未修改过。增补位——为1表示允许该段动态增长，为0表示不允许该段再站增长。+作业的段表主存物理地址段号1230段S不在内存阻塞请求进程内存中有合适的空闲区吗?从外存读入段S修改段表或快表及内存空区键唤醒请求进程返回空区容量总和能否满足空闲拼接,以形成一个合适的空区淘汰一个或几个实段,以形成一个合适空区YNNY分段的共享与保护段长段长主存始址状态共享本段的作业数状态作业名作业号段号存取控制现行分段表

对用户作业的地址空间进行分段，对每个段内再进行页。段页式存储管理计算机所连接的物理设备种类繁多、特性各异,设备速度也不同，设备管理的基本任务就是为用户提供统一的与设备无关的接口，对各种外设进行调度、分配，实现设备的中断处理及错误处理等。设备管理设备管理部分教学内容设备管理概述数据传送控制方式缓冲技术设备分配虚拟设备管理与Spooling技术

I/o管理设备管理概述设备管理的主要任务是对多用户和配备多种输入、输出设备的计算机系统中的设备进行统一管理。基本任务：1设备与内存或CPU之间的数据传送2缓冲技术的应用3设备的分配方式4虚拟设备管理5I/O管理

外部设备：除中央处理机和主存外的所有设备都称为外部设备。

设备分类：是为了简化设备管理程序。按工作特性，可以把外设分为输入输出设备和存储设备两大类。设备管理概述输入输出(I/O)设备I/O设备主要用于接收来自计算机的外部信息和把计算机的内部信息发往外部设备。这种设备上的信息往往是以字符为单位组织的，并以字符为单位存取，所以这类设备叫字符设备。如键盘、终端、打印机等。对于模拟信息的输入，是先将模拟信号转换为计算机能接收处理的数字信号。这叫模数(A/D)转换。反之叫数模(D/A)转换。电压V时间T32电压V时间T501001010100A/DD/A模拟信号数字信号模拟信号数字信号模拟信号和数字信号及其转换存储设备存储设备用于保存信息，这类设备上存储的信息在物理上往往是按字符块组织并以块为单位存取的，因此也称块设备。如磁盘、磁带机等设备这类设备通常又由存取控制和信息载体两部分组成。如硬盘控制器和磁盘片。

按资源分配的角度分类

独占设备:多为慢速I/O设备，如打印机，绘图仪等。设备简单，利用率低

共享设备:多为高速大容量设备，如磁盘。利用率高，设备复杂。

虚拟设备:为克服独占的缺点，将一台设备虚拟为多个独立的设备管理。(SPOOLing)有效地提高了设备利用率。存储设备I/O设备（字符设备）（块设备）键盘（A/D转换）终端（D/A转换）打印机（D/A转换）存取控制信息载体磁盘磁带外设外部设备按工作特性分类按资源分配的角度分为:

独占设备（慢速的I/O设备）外设

共享设备（高速大容量的设备）

虚拟设备（克服独占设备的缺点）作业独占多个作业共享将一台独占设备虚拟为多台虚拟设备向用户提供使用外设的方便接口。按照用户的要求和设备的类型，控制设备的工作，完成用户的输入输出请求。充分发挥设备的使用效率，提高设备与CPU之间，设备与内存之间，设备与设备之间的并行工作程度。在多道程序环境下，按一定策略对设备进行分配和管理，保证设备高速运行。设备管理任务建立统一的且独立于设备的接口;按照设备类型和相应算法，进行设备的分配与回收;进行设备驱动，实现真正的I/O操作及设备间的并行操作;设备管理功能实现输入输出缓冲区管理，解决高速CPU与慢速设备速度不匹配的问题；实现虚拟设备管理。设备管理功能数据传送控制方式设备管理的主要任务之一是控制设备与内存或CPU之间的数据传送。选择控制方式的原则：保证在足够的传送速度下数据的正确传送。尽可能减少系统开销，充分发挥硬件资源能力，即使I/O设备尽量忙，而CPU等待时间少。外设与内存间常用的传送方式：中断控制方式(Interrupt)DMA方式(DirectMemoryAccess)通道方式(Channel)中断(interrupt)方式就是当外设要与内存等进行数据传送时，发出一个中断请求给CPU，希望CPU暂停目前的工作，转而为它服务，当服务结束，CPU又转回去继续执行刚才被中断的业务。因此为了使用中断控制方式，则外设与CPU间应该有相应的中断请求线，设备控制器的状态寄存器有相应的中断位。中断控制方式接收到CPU发来的start命令准备数据并将其置入缓冲寄存器缓冲寄存器满吗？控制器发中断信号向设备发start命令将中断允许置位调度程序调度其他进程其他进程执行收到中断信号了吗？中断处理被中断进程执行nynycpu设备中断处理过程中断方式虽然实现了CPU与设备间的并行操作，但由于CPU直接控制I/O操作，每传一个字符，控制器就要向CPU发一个中断请求，CPU就要做一次中断响应，这在大数据量传送时会消耗大量CPU的时间，系统效率大大下降，如果多种设备都采用中断方式，则造成中断次数急剧增加，造成CPU无法响应中断及丢失数据，所以引进了DMA方式。DMA控制方式--直接内存访问

绝大多数小型、微型机都采用DMA（直接存储器存取）

DMA的基本思想是：采取“窃取”或“挪用”CPU总线的控制权。它要求CPU暂停使用若干总线周期，由DMA控制器占用总线来进行CPU与设备间的数据交换。在数据传送期间，不产生中断，不需要CPU的干预。在数据传送完毕时DMA控制器才归还CPU控制权，并向CPU发出中断请求信号。DMA工作原理具有DMA总线的微机结构CPU内存接口接口接口显示器打印机磁盘机内存总线DMA总线I/O总线三总线结构

通道(channel)是一种更为完善的I/O控制方式。虽然也是以内存为中心实现设备与内存直接存取。但与DMA不同的是通道是一种专门控制I/O工作的简单的处理机，也称I/O处理机，它有自己的简单指令系统，其指令称为通道控制字(CCW)。由CCW编制成通道程序存放在内存，用于实现对外设的I/O操作的控制。通道方式通道结构的三级控制CPU启动通道程序根据通道地址字（CAW)访问通道程序，执行CCW,向设备控制器发出I/O操作命令一级控制二级控制设备控制器启动设备，经通道在内存与I/O设备之间传送数据三级控制中央处理机内存字节多路通道选择通道成组多路通道卡片输入机卡片输入机打印机磁盘磁带通道结构为了解决外设与CPU速度的匹配问题，减少中断次数和CPU的中断处理时间，在内存中开辟一个或多个专用的区域，即缓冲区，作为CPU与I/O设备之间信息传输的集散地。缓冲技术缓冲技术的基本思想：CPU主存磁盘控制器缓冲区缓冲区设备号缓冲区号缓冲区地址缓冲区状态（忙/闲）数据块号互斥标志缓冲区队列指针缓冲区首部缓冲区的组织缓冲区专用缓冲区公用缓冲区按使用缓冲区的方式分缓冲区缓冲池多缓冲区双缓冲区单缓冲区按开辟缓冲区的数量分设备分配设备分配是指在多道程序系统中将有限的设备资源按一定的原则分配给进程设备分配的数据结构：设备控制表DCT系统设备表SDT控制器表COCT通道控制表CHCT设备类型设备标识获得设备的进程DCT指令…...设备类型设备标识设备忙/闲标记COCT指针设备等待队列首设备等待队列尾…...系统设备表SDT设备控制表DCT控制器标识控制忙/闲标记CHCT指针控制器等待队列首控制器等待队列尾…...控制器表COCT通道标识通道忙/闲标记通道等待队列首通道等待队列尾…...通道控制表CHCT设备分配的原则设备分配的原则是既要充分发挥设备的效率，又要防止不合理分配造成的死锁设备分配静态分配动态分配设备分配独占设备分配共享设备分配虚拟设备管理与Spooling技术

用大容量的快速设备模拟慢速度的独占设备，使一台独占设备，成为若干台可并行操作的虚拟设备，即把独占设备变成逻辑上的共享设备。

外围设备同时联机操作----Spooling技术是一种典型的虚拟设备技术。输入装置输入装置通道通道输出装置输出装置输入井输出井外存通道主机系统输入管理模块输出管理模块SPOOLing

系统I/O管理

I/O控制系统

I/O设备驱动程序I/O控制系统用户输入输出请求给用户进程分配设备启动有关设备进行I/O操作I/O操作完成后响应中断进行善后处理I/O设备驱动程序服务请求校验确认设备状态启动I/O请求中断处理I/O请求完成文件管理文件系统的概念文件的组织文件目录文件的共享、保护和保密文件存储空间的管理文件的使用文件管理文件系统的概念操作系统的主要功能之一是对计算机资源的管理。计算机资源分为硬件资源和软件资源两大类。而对软件资源的管理则是对各种系统程序（包括操作系统本身）、应用程序、库函数及用户程序等进行组织、管理。I/O设备由于软件资源是以文件形式存储的，因此，对软件资源的管理也就导致了文件系统的出现。文件系统提供了用户与外存的界面，用户可以通过文件名，按照文件的逻辑结构，使用简单直观的操作存取和管理所需的信息。按文件的性质:系统文件:主要由操作系统的核心模块和各种系统应用程序及数据组成。

库文件:主要由各种标准的子程序组成。

用户文件:访问权由系统缺省给出或由用户自己确定文件的分类按文件的内容:普通文件:指组织格式为系统中所规定的一般格式的文件，既包括系统文件，也包括用户文件及应用程序文件等。目录文件:是由文件的目录信息构成的文件。

特殊文件:通常指输入、输出的设备，从广义上可将I/O设备都看作文件。按文件的保护级别:只读文件读写文件可执行文件使其对文件的访问权进行有效的控制。按文件的存取方式:顺序存取文件随机存取文件按文件的信息流向:输入文件输出文件输入输出文件文件按文件性质系统文件库文件用户文件归纳起来：按文件内容普通文件目录文件特殊文件按文件保护级别只读文件读写文件可执行文件文件按文件存取方式顺序存取文件随机存取文件归纳起来：按文件信息流向输入文件输出文件输入输出文件文件系统是操作系统中负责管理和存放文件信息的软件机构，它向用户提供了一种简便、统一的存取和管理信息的方法。文件系统的功能统一管理文件的存储空间（外存），实施存储空间的分配与回收。确定文件信息的存放位置及存放形式。实现文件从名字空间到外存地址空间的映射，即实现文件的按名存取。实现对文件的控制操作和存取操作。实现文件信息的共享，并提供可靠的文件保护与保密措施。文件的组织文件组织是指文件中信息的配置和构造方式。通常从两种角度来研究文件的组织，从用户的角度，研究用户的抽象文件形式，即逻辑文件或文件的逻辑结构；另一种是从实现的角度出发，研究逻辑文件在文件存储介质上的存放形式，即物理文件或文件的物理结构。一、文件的逻辑结构文件的逻辑结构是用户可见的结构。可分为：流式文件：相关的有序字符的集合。是无结构文件。记录式文件：由若干记录组成，每个逻辑记录由彼此相关的数据项构成。又分为定长和变长两种。是有结构文件。文件的存取方式：用户通过对文件的存取来完成对文件的各种操作。分为顺序存取和随机存取两种基本方式。二、文件的物理结构指逻辑文件在物理存储空间中的存放方法和组织关系。它以块为单位进行组织。由于文件的物理结构决定了文件信息在存储设备上的存储位置，因此，文件信息的逻辑地址到物理地址的转换也是由文件的物理结构决定的。连续文件：也称顺序文件，是一种最简单的物理结构，是将逻辑文件的信息依次存放在连续编号的物理块中。链接文件：链接文件把一个逻辑上连续文件分散地存放在不连续的物理块中。只要指明该文件的第一个块号，就可以按链指针检索整个文件

索引文件：为了实现对文件的随机存取及不连续的存储，引入了索引文件。索引表的表目指出文件信息所在的逻辑块号与之对应的物理块号。索引表也以文件形式存放在磁盘上。给出索引表的地址，就可以查找与已知文件逻辑块号相应的物理块号。202022251517系统为每个文件设置了一个描述性的数据结构——文件控制块FCB，文件目录就是文件控制块的有序集合。文件目录

一、文件控制块从文件管理的角度看，一个文件包括两部分：文件说明和文件体。文件体指文件本身的信息。文件说明也称文件控制块FCB(FileControlBlock)，是用于描述一个文件的文件名、物理位置及其它有关说明信息与控制信息的数据结构。二、文件目录结构

文件控制块的有序集合称为文件目录。因此，文件目录实际上是文件名及其存放地址的对照表，还包括关于文件说明和控制的有关信息。文件目录本身也以文件形式存放，称为目录文件。一般有一级目录结构、二级目标结构和多级目录结构。

一级目录结构

一级目录结构是最简单的目录结构，它是由文件控制块(目录项)构成的线性表(目录表)。每个文件控制块都指向一个非目录文件。

二级目录结构将文件目录分为两级：第一级是主体文件目录MFD(MasterFileDirectory)，第二级是用户文件目录UFD(UserFileDirectory)。系统的每个用户在文件目录中都有一个登记项，记录了用户名和该用户的文件目录的物理地址。每个用户有一个UFD，并列存放属于该用户的所有FCB。

多级目录结构

为了给用户带来更多的方便，引入多级文件目录结构，它是二级文件目录的层次关系的推广。rootsysbinlibuertmpdevctcwangfencdccprtapinitlilwawbtest三、文件目录管理在一个以的树形文件目录结构中，如果每次都从根结点开始检索，就很不方便,影响访问速度。尤其当层次较多时，检索要耗费很多时间。由于任何一个用户在一段时间内仅仅使用众多文件中的少数几个，涉及少量目录，因此，引入“工作目录”或称“当前目录”的概念解决上述问题。文件的共享、保护和保密一、文件的共享二、文件的保护和保密

文件保护常用三种方法:

1.存取控制表

文件的保护、保密实际上是对用户的存取控制权进行限制。第一级是访问者的识别，即规定哪些人可以进行共享；第二级是存取的识别，即有权参与共享者可对文件执行哪种操作。

例如为实施一级控制，可将用户分为四类：

S(SYSTEM)：系统