大工20秋《操作系统》辅导资料十

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操作系统辅导资料十主    题：第八章的辅导资料
学习时间：2020年11月30日--12月6日“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
“我们既要绿水青山，也要金山银山。宁要绿水青山，不要金山银山，而且绿水青山就是金山银山。”要按照绿色发展理念，树立大局观、长远观、整体观，坚持保护优先，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把生态文明建设融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，建设美丽中国，努力开创社会主义生态文明新时代。
摘选自《习近平总书记系列重要讲话读本》内    容：第八章
这周我们将学习课件第八章（分页式存储管理，分段式存储管理）。本章的学习要求及需要掌握的重点内容如下：
1．掌握分区式存储管理
2. 了解分页式存储管理
3. 了解分段式存储管理
4. 了解段页式存储管理
        5. 掌握虚拟存储管理
重点掌握内容：
1．重点：逻辑地址和物理地址，静态重定位和动态重定位，可变分区存储管理分配算法，虚拟存储技术，页面置换算法。
2．难点：可变分区存储管理分配算法，页面置换算法。分页式存储管理
课前问题
1.什么是页面与页框？
2.分页系统的逻辑地址结构是什么？
3.分页系统的地址变换机构是什么？
4.两级和多级页表的实现原理是什么？1.什么是页面与页框？
进程的逻辑地址空间被划分成若干个大小（长度）相等的区域，每个区域称为“页”或“页面”
进程的所有页面从0开始依次进行编号
内存物理地址空间被划分成与页面长度相同的区域，每个区域称为页框、页帧或物理块，页框也从0依次进行编号。
为进程配内存时，允许以页为单位将进程的各个页面分别装入内存中不相邻接的物理块中，由于进程的最后一页往往不能装满对应的物理块，于是会有一定程度的内存空间浪费，这部分被浪费的内存空间称为页内碎片。
在分页系统中的页面大小应适中。
页面若太小，虽然可使内存碎片减小，从而减少了内存碎片的总空间， 有利于提高内存利用率，但同时也会使每个进程占用较多的页面，从而导致进程的页表过长，占用大量内存；此外，还会降低页面换进换出的效率。
若选择的页面较大，虽然可以减少页表的长度，提高页面换进换出的速度，但却又会使页内碎片增大。因此，页面的大小应选择得适中，且页面大小应是2的幂，通常为512B～8KB 。
/2.分页系统的逻辑地址结构是什么？
程序的一维逻辑地址空间经过系统硬件分页后，则形成“页号＋页内地址”的地址结构，如图4-11所示。该图所示的地址结构中，逻辑地址通过页号和页内地址进行描述；其中0～11位是页内地址，即每个页面的大小是4KB；12～31位是页号，即地址空间最多允许有1M个页面。一维逻辑地址与页号和页内地址的关系是：
                一维逻辑地址＝页号×页长＋页内地址。
（1）页表
（2）内存空间使用表
/3.分页系统的地址变换机构是什么？
分页式存储管理中，进程运行需要将其指令和数据的逻辑地址转换为物理地址。这个工作由系统设置地址变换机构来完成地址转换工作。
由于页内地址和物理块内地址一一对应（例如，对于页面大小是2K的页内地址是0～2047，对应物理块内的地址也是0～2047），因此，地址变换机构的主要任务实际上是完成页号到物理块号的变换。页表记录了进程的页号到内存物理块号的映射关系，所以地址变换机构要借助页表来完成地址变换任务。
/
当进程要访问某个逻辑地址中的数据时，便启动地址变换机构，地址变换机构按照下列步骤完成逻辑地址到物理地址的转换工作：
（1）首先由地址变换机构自动将逻辑地址划分为页号和页内地址。
（2）将得到的页号与页表寄存器中的页表长度进行比较，如果页号大于页表长度，系统就发出一个地址越界中断，表示要访问的地址超过了进程的地址空间。若访问的地址未出现越界访问错误，便根据页表寄存器中的页表始址找到页表在内存中的首地址。
（3）在找到的页表中根据页号找到对应的物理块号，且将物理块装入物理地址寄存器，同时将页内地址也装入物理地址寄存器，从而最终完成逻辑地址到物理地址的转换，即实际要访问的物理地址等于物理块号乘页面长度以后，再加上页内地址。3.分页系统的地址变换机构是什么？
页表驻留在内存中，因此当CPU对指令或数据进行操作时至少要2次访问内存。
在地址变换机构中增加一个高速联想存储器，构成一张“快表”。在快表中，保存着当前执行进程最常用的页号和对应的物理块号。4.两级和多级页表的实现原理是什么？
为了将一个大页表存放在内存中，对页表进行分页，然后把由页表分页后形成的各个页面（称为页表页面或页表分页）分别存储在内存中不一定相邻接的物理块中。
以页表页面为单位建立更高一级索引，该索引称为外层页表。
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采用两级页表进行地址变换，CPU对指令或数据进行操作时至少要访问内存三次，因而计算机的处理速度会受到较大影响
两级页表机制解决了大页表需要连续内存空间存放的问题，但并未减少页表对内存空间总的需求，页表在内存中占用的总空间并没有减少
多级页表
采用两级页表结构对使用32位逻辑地址的机器已经足够了，但对于使用64位逻辑地址的机器，两级页表可能仍然不能解决页表存放问题，需要使用多级页表。
采用多级页表的原理与两级页表类似，即对外层页表再进行分页，将外层页表的不同分页以离散分配方式装入到内存中不同位置的物理块中，再利用第2级的外层页表来映射它们之间的对应关系。
但页表级数越多，在地址变换过程中访问内存的次数就越多，计算机的处理速度下降得就越明显，因此需要使用快表来提高地址变换的速度。分段式存储管理
课前问题
1.什么是段？
2.分段系统的逻辑地址结构是什么？
3.分段系统的地址变换机构是什么？
4.分段与分页系统的区别是什么？1.什么是段？
系统将程序的逻辑地址空间分成若干个子部分，这些子部分被称为段。
每个段都有段名或段号，定义了一组逻辑信息，且在逻辑上是各自独立的。每个段都从0开始编址，采用一段连续的地址空间，其长度由自身包含的逻辑信息组的长度决定，所以各段的长度可以不相同。在为进程分配内存时，允许将进程以段为单位，离散地装入不相邻接的内存空间位置，而一个段本身在内存中占用一段连续区域。进程运行时，通过地址变换机构将段式逻辑地址变换为实际的内存物理地址，从而使进程能够顺利执行。2.分段系统的逻辑地址结构是什么？
进程的地址空间被分成若干个段，即进程的逻辑地址由段名（段号）和段内地址两部分组成，因此是二维的，如图4-17 所示。段号和段内地址都是从0开始编址。段号长度决定了进程中最多允许有多少个段，段内地址范围决定了每个段的最大长度。在图4-17所示的地址结构中，一个作业最多允许256个段，每个段的长度为16MB。
/
段表：系统为每个进程建立了一张段表，进程的每个段在表中有占有一个表项，记录了该段的段号（段名）、在内存中的起始地址及段长等信息，如图4-18所示。
/3.分段系统的地址变换机构是什么？
通过在段表寄存器中存放的段表始址找到段表，然后再从段表中找到对应的表项完成逻辑段与物理内存区的映射。图4-19示意了分段式存储管理中的地址变换过程。/若段表存放在内存中，则对一个数据进行操作需要两次访问内存:
第一次是访问内存中的段表，找到与段对应的表项，从中得出此段在内存中的起始地址，并由此段的内存始址和段内地址组成物理地址。
第二次访问内存才是对数据进行操作。这种访问方式降低了计算机速度，解决方法与分页式存储管理中类似，也是设置高速联想存储器（快表）。
由于进程的分段数量比分页数量少得多，其段表中的段表项数目比页表中的页表项数目亦少的多，因而所需要的联想存储器也相对变小。4.分段与分页系统的区别是什么？
(1)分段是信息的逻辑单位，由源程序的逻辑结构所决定，用户可见，段长可以根据用户需要来规定，段起始地址可从任何主存地址开始，分段方式中，源程序(段号，段内位移)经连结装配后地址仍保持二维结构。
(2)分页是信息的物理单位，与源程序的逻辑结构无关，用户不可见，页长由系统确定，页面只能从页大小的整倍数地址开始，源程序(页号，页内位移)经连结装配后地址变成了一维结构。
(3) 分页式为程序分配内存空间时不要求一个连续的内存空间，它增大了分配的灵活性，但分页存储管理不利于用户实现信息共享。       
分段存储管理主要是为了满足用户的多方面需求而引入的。重要考点
一、名词解释汇总
1.页面：参见教材4.3.1 “分页式存储管理概述”。程的逻辑地址空间被划分成若干个大小（长度）相等的区域，每个区域称为“页”或“页面”。
2.页框：参见教材4.3.1 “分页式存储管理概述”。内存物理地址空间被划分成与页面长度相同的区域，每个区域称为页框。
3.段：参见教材4.4.1“分段式存储管理概述”。系统将程序的逻辑地址空间分成若干个子部分，这些子部分被称为段。二、单项选择题
1．在简单分段管理中，（     ）。
A．以段为单位分配，每段分配一块连续的主存分区
B．段与段之间一定是不连续的
C．一个进程的各段一定是连续的
D．以上都不对
答：A
分析：各段的长度可以不相同。在为进程分配内存时，允许将进程以段为单位，离散地装入不相邻接的内存空间位置，而一个段本身在内存中占用一段连续区域。段之间可以连续也可以不连续
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