《存儲管理》PPT課件.ppt

2019/7/3,1,計算機組成 和 操作系統,第5章 存儲管理,5.1 存儲器概述,5.2 高速緩沖存儲器,5.3 內存分配方式,5.1 存儲器概述,5.1.1 存儲器的分類 5.1.2 存儲器的性能指標 5.1.3 存儲器的組成與工作原理 5.1.4 存儲器的層次結構,4,5.1.1 存儲器分類,按存儲器的器件和存儲介質分類 按存取方式分類 按存儲器在計算機中的作用分類,5,1. 按存儲器的器件和存儲介質分類,半導體存儲器：由半導體器件組成 雙極型存儲器、MOS型半導體集成電路存儲器 速度快、功耗低 磁存儲器：由磁性材料做成 磁芯、磁帶、磁盤等 容量大，速度慢、體積大 光存儲器：用光學材料根據光學原理存儲信息 CD-ROM、DVD-ROM 便于攜帶，廉價，易于保存,6,順序存儲器（SAM） 所存儲的內容只能按某種順序存取 存取所需時間與物理位置有關 順序存儲器的平均存取周期較長，一般用于輔存 隨機存儲器（RAM） 存儲器中的任意存儲單元都能隨機存取 存取所需時間與物理位置無關 主存主要由RAM組成,2.按存取方式分類,7,直接存取存儲器（DAM） 介于隨機和順序之間 隨機定位信息塊，但對信息塊是順序讀寫 只讀存儲器 (ROM) 存儲器內容是預置的，固定的，無法改寫 信息可長期保存,2.按存取方式分類（續(xù)）,8,主存儲器 速度快，容量小，價格高 目前主要采用半導體存儲器 輔助存儲器 速度低，容量大，價格便宜 目前主要有磁盤、光盤、閃存、磁盤陣列 高速緩沖存儲器 Cache 放置在兩個訪問速度不一樣的存儲部件之間，用來暫存信息和數據,3.按存儲器在計算機中的作用分類,9,存儲容量：一般以字節(jié)為單位。 存取速度：取數時間和存取周期。 價格：用單位存儲空間的價格來衡量。 可靠性：用平均無故障時間來衡量。,5.1.2 主存儲器的主要性能指標,10,5.1.3 存儲器組成與工作原理,存儲器的組成,存儲單元及其編址,5.1.3 存儲器組成與工作原理,主存的組成和工作原理,分析：速度越快，成本較高。 為了獲得好的性能/價格比，計算機中各種存儲器組成一個層狀的塔式結構，取長補短，協調工作 工作過程： 1）CPU運行時，需要的操作數大部分來自寄存器 2）如需要從(向)存儲器中取(存) 數據時，先訪問cache，如在，取自cache 3）如操作數不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM 4）如操作數不在RAM，則訪問硬盤，操作數從硬盤中讀出RAM cache,5.1.4 存儲器的層次結構,13,5.2 高速緩沖存儲器,為什么需要高速緩存？ CPU與存儲器之間的速度無法匹配 解決之道 采用高速器件提高速度 增加字長，在每個存儲周期中存取多個字 增加cache,14,高速緩存的理論依據程序局部性原理 程序在執(zhí)行過程中的一個較短時期，所執(zhí)行的指令地址和指令的操作數地址，分別局限于一定區(qū)域，包括： 時間局部性 指令的執(zhí)行和數據的訪問集中在一個較短時期內 空間局部性 指令的執(zhí)行和數據的訪問集中在一個較小區(qū)域內。,15,程序局部性原理的具體體現： 程序在執(zhí)行時，大部分是順序執(zhí)行的指令，少部分是轉移和過程調用指令。 程序中存在相當多的循環(huán)結構，它們由少量指令組成，而被多次執(zhí)行。 程序中存在相當多對一定數據結構的操作，如數組操作，往往局限在較小范圍內。,5.2.1 Cache系統的基本結構,Cache系統組成 Cache 地址映像與變換機構 Cache替換策略和更新策略,16,17,5.2.2 cache系統的工作原理,5.2.2 cache系統的工作原理,1.直接映像（direct mapping）,主存和Cache 中字塊的對應關系采用直接映像函數為： j=i mod 2c 其中，j 是Cache 的字塊號，i是主存的字塊號。在這種映像關系中，主存的第0塊，第2c塊，第2c+1塊，只能映像到Cache的第0塊，而主存的第1塊，第2c+1塊，第2c+1+1塊，只能映像到Cache 的第1 塊。,直接映像的優(yōu)點是實現簡單,直接映像方式的缺點是不夠靈活,5.2.2 cache系統的工作原理,2全相聯映像(fully associative mapping),主存地址分為兩段：主存字段標記mtc 位、塊內地址b 位 Cache 地址也分為兩段：塊地址c 位、塊內地址b 位。 主存塊內地址與Cache地址塊內地址相同,全相聯映像方式的優(yōu)點是可以靈活地進行塊的分配，塊的沖突率低，Cache 的利用率高。但這是一個理想的方案。實際上由于它的成本太高而不能采用,5.2.2 cache系統的工作原理,3. 組相聯映像（set associative mapping）,組相聯映像方式是直接映像和全相聯映像方式的一種折中方案。,組相聯映像把主存地址劃分成4 段 Cache 地址分為三段,5.3 內存分配方式,5.3.1 連續(xù)分配存儲管理方式 5.3.2 分頁式存儲管理 5.3.3 段式存儲管理 5.3.4 段頁式存儲管理 5.3.5 虛擬存儲管理 5.3.6 各種存儲分配策略的比較,21,22,補充:程序的裝入與鏈接,編譯 源代碼目標代碼 鏈接 目標代碼+所需庫函數=裝入模塊 裝入 將裝入模塊裝入內存，該過程也叫做地址重定位，也稱地址映射,地址空間：源程序經編譯后得到的目標程序，存在于它所限定的地址范圍內，此范圍稱地址空間。地址空間是邏輯地址的集合。 存儲空間：指主存中一系列存儲信息的物理單元的集合，這些單元的編號稱為物理地址。存儲空間是物理地址的集合。,程序的裝入方式,重定位（地址映射）： 把用戶程序中的相對地址（邏輯地址）轉換為主存中的絕對地址（物理地址）過程。 靜態(tài)重定位： 編譯時產生相對地址，裝入程序確定要裝入模塊的地址，并在裝入時進行重定位，程序運行中不允許在內存移動。 動態(tài)重定位 編譯時產生相對地址，裝入程序在把裝入模塊裝入內存時，不立即把裝入模塊中的相對地址轉換為絕對地址，而是推遲到程序要真正執(zhí)行時才進行。,靜態(tài)重定位示意圖,動態(tài)重定位示意圖,程序的鏈接方式,靜態(tài)鏈接 對相對地址進行修改 變換外部調用符號 裝入時動態(tài)鏈接 在裝入內存時，邊裝入邊鏈接 便于軟件版本的修改和更新 便于實現目標模塊共享 運行時動態(tài)鏈接 運行時，用到哪個模塊，再鏈接哪個模塊，用不到的模塊可不裝入內存。,程序的鏈接,28,連續(xù)分配是指為一個用戶程序分配一個連續(xù)的內存空間。分為： 單一連續(xù)分配 固定分區(qū) 可變分區(qū),5.3.1 連續(xù)分配存儲管理,單一連續(xù)分配,應用范圍：單用戶、單任務操作系統。如：CP/M、DOS2.0以下。 操作系統的任務就是將系統程序和用戶程序分開。 方法：用基址-限長寄存器。,固定分區(qū)存儲管理,方法 分區(qū)在系統啟動后劃分好，以后不能改變。 應用范圍： 多道程序設計系統最簡單的一種方式。如：60年代的IBM360上的MFT。 劃分分區(qū)方法 分區(qū)大小相等 分區(qū)大小不等 缺點 內存利用率低,可變分區(qū)存儲管理,方法 分區(qū)的大小和個數隨系統的運行而不斷改變,可變分區(qū)分配數據結構 空閑分區(qū)表 空閑分區(qū)鏈 可變分區(qū)分配算法 首次適應法 下次適應法 最佳適應法 最壞適應法 可變分區(qū)的分配和回收操作,可變分區(qū)存儲管理,條件 空閑分區(qū)鏈以存儲空間地址遞增的次序鏈接。 優(yōu)點 釋放時，因不改變該區(qū)在隊列中的位置，因此速度快。 保證高地址有空閑空間，可留給大作業(yè)。 缺點 常用大空閑區(qū)適應小作業(yè)，從而留下小空閑區(qū)，且這些小空閑區(qū)在鏈表的前面，影響分配速度。,可變分區(qū)分配算法,最佳適應法,首次適應法,下次適應法,最壞適應法,條件 空閑分區(qū)鏈以存儲空間地址遞增的次序連接成循環(huán)鏈，為進程分配存儲空間時，不是從隊首開始找，而是從上次找到的空閑空間的下一個空閑分區(qū)開始找。 優(yōu)點 存儲空間利用均衡。 缺點 沒有了較大空閑空間，使大作業(yè)無法運行。,條件 空閑分區(qū)鏈以存儲空間大小遞增的次序拉鏈。 優(yōu)點 若存儲空間中存在與申請大小相等的空閑區(qū)，則必然被選中，否則選一個稍大的空閑區(qū)，而避免毀掉更大的空閑區(qū)。 缺點 小碎片增加碎片問題嚴重。 回收時，將空閑區(qū)插入適當的位置費時。,條件 空閑分區(qū)鏈以存儲空間大小遞減的次序拉鏈。 優(yōu)點 分配后，剩下的空閑區(qū)還好用。 申請時，查找容易，因此速度快。 缺點 當有大作業(yè)時，可能就沒有空間可用了。,可變分區(qū)內存的回收,回收分區(qū)與前面一個（低地址）空閑分區(qū)F1相鄰接，圖（a） 回收分區(qū)與后面一個（高地址）空閑分區(qū)F2相鄰接，圖（b） 回收分區(qū)與前、后兩個空閑分區(qū)F1和F2均相鄰，圖（c） 回收分區(qū)不與其它空閑分區(qū)相鄰接,離散分配方式的引入,連續(xù)分配方式帶來的問題是會在存儲空間中產生許多“碎片”。 能否將進程分配到許多不相鄰的分區(qū)中呢？由此產生離散分配方式。 分頁存儲管理方式 存儲管理的需要 分段存儲管理方式 用戶編程的需要,基本原理 將進程的邏輯地址空間分成若干個大小相等的片，稱為頁面或頁； 內存空間分成與頁大小相等的若干個存儲塊，稱為物理塊或頁框。 在為進程分配內存時，以塊為單位，將進程中的若干頁分別裝入多個可以不相鄰的塊中。,5.3.2 分頁式存儲管理,頁面的大小由機器的地址結構決定的。 頁面的大小的權衡 頁面較小-內存碎片?。豁摫磉^長，占用較大內存空間。 頁面較大-頁表短，占用較少內存；內存碎片大。 通常頁面的大小要適中，在512KB4MB之間。,頁面大小的選擇,邏輯地址被分為兩部分： 頁號 頁內位移 例如邏輯地址1500的二進制形式為0000 0101 1101 1100 由于頁的大小為1024B，故頁內位移占10位，剩下6位為頁號 邏輯地址1500對應的頁號為1（二進制為0000 01） 頁內位移為476（二進制為01 1101 1100）,頁式存儲管理邏輯地址結構,頁式存儲管理地址變換機構,快表,由于頁表放在內存，使得CPU存取一個數據時，要兩次訪問內存，為了提高速度，增設快表（高速緩存）。,方便編程 分段共享 分段保護 動態(tài)鏈接 動態(tài)增長,引入原因,5.3.3 段式存儲管理,段式存儲管理的基本原理,整個作業(yè)的地址空間被分成若干個段，每個段采用一段連續(xù)的地址空間，段的長度由相應的邏輯信息的長度決定。,段式存儲管理地址變換機構,分頁和分段的區(qū)別,分頁和分段的目的 頁是信息的物理單位，分頁是系統管理的需要，而不是用戶的需要。 段是信息的邏輯單位，它含一組意義完整的信息。分段是為了更好地滿足用戶的要求。 頁和段長度 頁的大小固定，由系統確定。 段的長度不固定，決定于用戶所編寫的程序。 地址空間 分頁的作業(yè)地址空間是一維的，即單一的線性地址空間。 分段的作業(yè)地址空間是二維的，程序員在標識一個地址時，需給出段名和段內地址。,段的共享與保護,頁共享與段共享的比較 由于段是信息的邏輯單位，用戶易于實現對段的共享，也容易對段進行保護。 而頁雖也可共享，但不方便。 舉例 例如有一個多用戶系統，可同時容納40個用戶，它們都執(zhí)行一個文本編輯程序，該文本編輯程序含有160KB的代碼和40KB的數據， 如不共享，共需160*40+40*40=8MB的內存空間來支持40個用戶。 若代碼是可重入的，則無論是分頁系統還是分段系統都可以共享該代碼段，因此內存只需留一個文本編輯程序，所需空間為160+40*40=1760KB。,頁的共享,注意： 頁的共享要求作業(yè)地址空間的共享頁必須具有相同的頁號。,使用分頁系統，每個頁面的大小是4KB，則代碼段占160/4=40個頁面，數據段占40/4=10個頁面,段的共享,使用分段系統，不要求段號相同。,實現段的共享數據結構,共享進程計數：記錄了共享某段的進程個數，設置整型變量count。 存取控制：對于一個共享，不同的進程可以有不同的存取控制權限。 段號：對于同一共享段，不同的進程可以使用不同的段號去共享該段。,分段的分配與回收,分配,回收,對第一個請求使用該共享段的進程，由系統為該共享段分配一物理區(qū)，再把共享段調入該區(qū)，同時將該區(qū)的始址填入該進程的段表的相應項中。 在共享段表中增加一表項，填寫有關數據，置count=1；當其他進程要調用該共享段時，無需再分配內存，只需在調用進程的段表中增加一表項，在共享段表中，填加進程的名字等項目，令count加1。,當進程不使用某共享段時，刪除共享段表中有關該進程的項目，令count減1，當count=0時，回收該共享段的物理內存，刪除共享段表中對應項。,分頁系統能有效地提高內存的利用率解決外部碎片問題。 分段系統則能更好地滿足用戶編程的需要解決段的共享、動態(tài)連接等問題。 將兩者結合起來，汲取兩著的優(yōu)點，產生段頁式存儲管理。,5.3.4 段頁式存儲管理,段頁式地址變換機構,頁的大?。?KB 5*4KB+500B =20980,52,前面所介紹的各種存儲器管理方式，都要求將一個作業(yè)全部裝入內存方能運行，因而難以適應： 作業(yè)的尺寸大于實際內存的容量； 有大量的作業(yè)等待運行，但實際內存容量不足以使其全部裝入； 為解決此類問題，引入了虛擬存儲器，其理論依據是進程運行的局部性原理。,5.3.5 虛擬存儲管理,53,1.虛擬存儲技術 虛擬存儲器是一種借助于外存空間，從而允許一個進程在其運行過程中部分地裝入內存的技術。 2.虛擬存儲的基本原理 程序部分裝入 在程序執(zhí)行過程中產生缺頁或缺段，請求調入 將暫時不使用的頁或段置換到到外存 3.虛擬存儲器的實現方式 建立在離散分配存儲管理方式的基礎上。,54,基本分頁系統+請求調