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  • 内存离散分配、分页、分段

    连续分配方式:一个进程连续的装进内存一个大小合适的区。
    “碎片”  “紧凑”  增大开销
    如果允许一个进程直接分散装入多个不相邻分区中,则无需“紧凑”
    产生存储管理的离散分配方式。

    基本分页存储管理

    比较连续分配方式
    作业逻辑地址空间有M大,就需要向内存申请一个M大的连续区域。
    分页的目的是更细粒度的处理空间,减少粗放管理的浪费或开销问题。
    离散分配内存:
    作业规定大小划分成小份;内存也按同样大小划分成小份
    作业的任一小份可分散放入内存任意未使用的小份
    分页方式下,内存的使用率高,浪费少。但不是绝对没有碎片(进程的最后一页不总是能占满一个物理块)

    1)页面的概念
    内存划分成多个小单元,每个单元K大小,称(物理)块。作业也按K单位大小划分成片,称为页面。
    ① 物理划分块的大小 = 逻辑划分的页的大小
    ②页面大小要适中。

    2)页表的概念
    为了找到被离散分配到内存中的作业,记录每个作业各页映射到哪个物理块,形成的页面映射表,简称页表。
    每个作业有自己的页表
    页表的作用:页号到物理块号的地址映射

    3)地址的处理
    连续方式下,每条指令用基地址+偏移量即可找到其物理存放的地址。

    计算口诀
    页面大小决定偏移量(页内地址)的位数 n;
    作业大小页面数量
    页表长度 a
    页号的位数 m(或总位数-页内位数)
    内存容量决定块数,块数决定编址位数,即页表项位数 b。

    4)地址变换机构
    页表数据放在内存。只设置一个页表寄存器PTR(page table register)记录页表在内存中的首地址和页表长度,运行时快速定位页表。
    分页系统中,进程创建,放入内存,构建页表,在PCB中记录页表存放在内存的首地址及页表长度。

    进程发出逻辑地址的访问请求,经过地址变换,到内存中找到对应的实际物理地址单元并取出数据,所需花费的总时间,称为内存的有效访问时间EAT(effective access time)

    5)快表

    基本分页机制下,一次指令需两次内存访问,处理机速度降低1/2,分页空间效率的提高以如此的速度为代价,得不偿失。
    改进:减少第1步访问内存的时间。增设一个具有“并行查询”能力的高速缓冲寄存器,称为“快表”,也称“联想寄存器”(Associative memory),IBM系统称为TLB(Translation Look aside Buffer)。
    快表放正在执行进程的页表的数据项。
    虽不能完全避免两次访问内存,但如果命中率a高还是能大幅度提高速度。
    设一次查找访问快表时间为t' ,则
    EAT= a*t' + (1-a)(t'+t) + t = 2t +t' -t*a

    6)多级页表
    进程分页离散存放,但页表的数据是连续在存放内存的。而页表可能很大。
    ①两级页表
    将页表分页,并离散地将页表的各个页面分别存放在不同的物理块中
    为离散分配的页表再建立一张页表,称为“外层页表”,其每个表项记录了页表页面所在的物理块号。

    ②多级页表
    64位操作系统下,两级仍然不足以解决页表过大问题时,可按同样道理继续分页下去形成多级页表。
    ③反置页表
    站在物理块的角度,记录占用它的已调入内存的进程标识和页号。

    基本分段存储管理

    从提高内存利用率角度;
    固定分区  动态分区 分页
    从满足并方便用户(程序员)和使用上的要求角度:
    分段存储管理:作业分成若干段,各段可离散放入内存,段内仍连续存放。
    方便编程:如汇编中通过段:偏移确定数据位置
    信息共享:同地位的数据放在一块方便进行共享设置
    信息保护
    动态增长:动态增长的数据段事先固定内存不方便
    动态链接:往往也是以逻辑的段为单位更方便
    1)分段系统的基本原理
    程序通过分段(segmentation)划分为多个模块,每个段定义一组逻辑信息。
    段的特点
    每段有自己的名字(一般用段号做名),都从0编址,可分别编写和编译。装入内存时,每段赋予各段一个段号。
    每段占据一块连续的内存。(即有离散的分段,又有连续的内存使用)
    分段下的相对地址:
    地址结构:段号 + 段内地址
    段表:记录每段实际存放的物理地址
    2)段表与地址变换机构
    段是连续存放在内存中。段表中针对每个“段编号”记录:“内存首地址”和“段长”
    3)分页和分段的主要区别 ★ ★ ★
    需求:分页是出于系统管理的需要,是一种信息的物理划分单位,分段是出于用户应用的需要,是一种逻辑单位,通常包含一组意义相对完整的信息。
    一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处,而不会跨越两个段的分界处。
    大小:页大小是系统固定的,而段大小则通常不固定。分段没有内碎片,但连续存放段产生外碎片,可以通过内存紧缩来消除。相对而言分页空间利用率高。
    逻辑地址:
    分页是一维的,各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间;
    分段是二维的,各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。
    其他:通常段比页大,因而段表比页表短,可以缩短查找时间,提高访问速度。分段模式下,还可针对不同类型采取不同的保护;按段为单位来进行共享
    4)信息共享
    分段系统的突出优点:
    易于实现共享
    在分段系统中,实现共享十分容易,只需在每个进程的段表中为共享程序设置一个段表项。
    对同样的共享内容的管理上,很明显分段的空间管理更简单。分页的图涉及太多的页面划分和地址记录的管理。
    易于实现保护:
    代码的保护和其逻辑意义有关,分页的机械式划分不容易实现。
    5)段页式存储管理方式
    ① 基本原理
    将用户程序分成若干段,并为每个段赋予一个段名。
    把每个段分成若干页
    地址结构包括段号、段内页号和页内地址三部分

    ②地址变换过程

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