操作系统（二） to be continued

3 存储管理

逻辑地址与物理地址

• 逻辑地址，用户编程使用的地址空间

• 物理地址，程序执行使用的地址空间

• 地址转换：将逻辑地址转换为物理地址

主存复用

• 多道程序设计需要复用主存

• 按照分区复用：

  • 主存划分为多个固定/可变尺寸的分区
  • 一个程序/程序段占用一个分区

• 按照页架复用：

  • 主存划分成多个固定大小的页架
  • 一个程序/程序段占用多个页架

• 段式程序设计：把一个程序设计成多个段，代码段、数据段、堆栈段、等等

存储管理

1. 段式存储管理：段式二维逻辑地址空间的程序占用多个主存可变分区

2. 页式存储管理：一维逻辑地址空间的程序占用多个主存页架区

3. 段页式存储管理：段式二维逻辑地址空间的程序占用多个主存页架区

存储保护

• 为避免主存中的多个进程相互干扰，必须对主存中的程序和数据进行保护

  • 私有主存区中的信息：可读可写
  • 公共区中的共享信息：根据授权
  • 非本进程信息：不可读写

• CPU检查是否允许访问，不允许则产生地址保护异常

虚拟存储

• 引入原因：

  • 用户编写程序必须考虑主存容量限制
  • 多道程序设计的道数受到限制

• 可行原因：

  • 程序运行局部性原理：在一段较短的时间内，程序的执行仅限于某个部分，相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。

• 实现思路：（核心）

  • 局部性原理：一个程序只要部分装入内存就可以运行
  • (磁盘)虚拟地址空间：容纳进程装入
  • (主存)实际地址空间：承载进程执行

• 用户视角，计算机系统具有一个容量大得多的主存空间，即虚拟存储器

固定分区与可变分区

• 固定分区，既不适应大尺寸程序，又存在内存内零头，有浪费

• 可变分区：

  • 按进程的内存需求来动态划分分区
  • 创建一个进程时，根据进程所需主存量查看主存中是否有足够的空闲空间
    • 若有，则按需要量分割一个分区
    • 若无，则令该进程等待主存资源
  • 由于分区大小按照进程实际需要量来确定，因此主存内的分区个数是随机变化的，会产生内存外零头，通过移动分区解决。

分页存储

• 分页实现：

1. 主存划分为固定大小的页架

2. 程序根据页架尺寸将逻辑地址分页

3. 不同的页可以放在不同页架中，不需要连续

4. 利用页表完成逻辑地址到物理地址转换

   • 逻辑地址；页号+单元号，物理地址：页架号+单元号。从页号到页架号，查页表

5. 基本思想：局部性原理，把进程全部页面装入虚拟存储器，执行时先把部分页面装入实际内存，然后，根据执行行为，动态调入不在主存的页，同时进行必要的页面调出

• 页的共享：不同进程通过页的共享来完成数据共享和程序共享

• 快表机制：

  • 原因：页表放在主存，每次地址转换得访问两次主存。降低了存取速度。
    • 第一次，访问页表，完成页号到页架号的转换
    • 第二次，访问主存中的绝对地址（页架号+单元号）
  • 解决：利用Cache存放部分经常访问的页表，快表内存放页号到页架号的映射

• 缺页中断：

  • 访问的页不在主存，由CPU发出缺页中断，需要操作系统将其调入主存后再进行访问。
    • 主存若有空闲页架，则调入页
    • 主存若无空闲页架，则通过页面调度算法淘汰页，如果调出的页有修改，则写回磁盘
    • 更新快表和页表

分段存储

• 基本思想：把进程的所有分段都存放在辅存中，进程运行时先把当前需要的一段或几段装入主存，在执行过程中访问到不在主存的段时再把它们动态装入。引入段表。

• 分段把主存分为多个段，段定义一组逻辑信息，代码段、数据段、堆栈段等等。更符合用户的需要。而分页是为了消减内存的外零头，通过离散分配和固定页架大小实现，提高内存利用率。页大小是固定的，段大小是可变的

段页式存储

• 段式存储管理可以基于页式存储管理实现。每一段不必占据连续的存储空间，可存放在不连续的主存页架中。
• 通过装入段中部分页面扩充为段页式存储管理。引入段页表。

页面调度算法

• 页面调度算法设计不当，会出现抖动：刚被淘汰的页面立即又要调入，并如此反复。

MMU与反置页表

• 内存管理单元MMU：CPU管理虚拟/物理存储器的控制线路，把虚拟地址映射为物理地址，并提供存储保护，必要时确定淘汰页面

• 反置页表

  • MMU用的数据结构，表项包含：正在访问该页框的进程标识、页号、标志位（有效、修改、锁定等信息）、哈希链指针。
  • 反置页表是以页架号为索引，根据页架号来查页号，完成物理地址到逻辑地址的转换

• 反置页表引入原因：

  • 一般页表存在的问题：大多数的操作系统会为每个进程提供一个页表。很占物理内存。
  • 反置页表，所有进程共同使用一张页表，这张页表中的条目的数量和内存中物理的页框的数量是一样的，控制了页表的大小。使用反置页表虽然减少了内存的浪费，但是增加了查询时间并且增加了共享内存的难度。

• 基于反置页表的地址转换过程：

  • MMU通过哈希表把进程标识和虚页号转换成一个哈希值，指向反置页表的一个表目
  • MMU遍历哈希链找到所需进程的虚页号，该项的索引就是页架号，通过拼接位移便可生成物理地址
  • 若遍历整个反置页表中未能找到匹配页表项，说明该页不在内存，产生缺页中断，请求操作系统调入

4 设备管理

DMA（直接存储器访问方式）

• 替代处理器来控制主存和设备控制器之间的数据交换，否则是CPU轮询或中断设备控制器
• 流程：
  • 处理器向DMA模块发出I/O命令
  • 处理器继续执行其它工作，DMA模块负责传送全部数据
  • 数据传送结束后，DMA中断处理器，由CPU执行中断服务程序来进行DMA结束处理。
• CPU不会终止原程序的执行，CPU只在数据传送的开始和结束时参与
  • 开始时，CPU需要对DMA模块进行初始化
  • 结束时，CPU响应中断，但不必保存现场
• DMA的周期窃取：
  • 当DMA和CPU同时经总线访问内存时，CPU总是将总线的占有权让给DMA一个或几个主存周期
  • 周期窃取对延迟CPU与主存的数据交换影响不大
    • 数据传送过程是不连续的和不规则的
    • CPU大部分情况下与Cache进行数据交换，直接访问内存较少

I/O缓冲：

• 解决CPU与设备之间速度不匹配的矛盾
• 单缓冲：输入输出共用一个主存缓冲区，然后和用户区的应用程序交互
• 双缓冲：输入缓冲区、输出缓冲区
• 循环缓冲：操作系统分配一组缓冲区，每个缓冲区度有指向下一个缓冲区的链接指针，构成循环缓冲。循环队列中有两种缓冲区，一种是没有数据的空闲缓冲区，一种是由数据的满缓冲区。又有两个指针分别指向空缓冲区和满缓冲区。
  • 解决设备和进程速度不匹配的问题
  • 为系统公共资源，供进程共享并由系统统一分配和管理

设备独立性：

• 作业执行前对设备提出申请时，指定某台具体的物理设备会让设备分配变得简单
  • 应用程序与具体物理设备无关，系统增减或变更设备时不需要修改源程序。
• 设备独立性
  • 用户通常不指定物理设备，而是指定逻辑设备，使得用户作业和物理设备分离开来，系统需要提供逻辑设备名和物理设备名的对应表以供转换使用。

SPOOLing技术：

• 思想：在输入和输出之间增加了“输入井”和“输出井”的排队转储环节。
• 预输入：操作系统将作业需要的输入数据成批从输入设备上预先输入至磁盘的输入缓冲区中暂存
  • 调度作业执行时，作业使用数据不必再启动输入设备，从磁盘的输入缓冲区读入即可
• 缓输出：作业不启动输出设备，只是将输出数据暂存到磁盘的输出缓冲区
  • 作业执行完毕后，由操作系统成批输出
• 好处：
  • 提高了I/O速度
  • 设备并没有分配给任何进程.在输入井或输出井中,分配给进程的是一存储区和建立一张I/O请求表。
  • 实现了虚拟设备功能.多个进程同时使用一独享设备,而对每一进程而言,都认为自己独占这一设备,不过,该设备是逻辑上的设备。