第三章 内存管理·

3.1.1 内存的基本知识·

内存可存放数据，程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理——缓和CPU和硬盘之间的速度矛盾

在多道程序环境下，系统中会有多个程序并发执行，即会有多个程序需要同时放到内存中，如何区分呢

给内存的存储单元编地址（大小取决于按字节编址8位，按字长编制，可能是16位）

逻辑地址和物理地址对应

每个地址对应存储单元：按字节编址和按字编址（规定）

三种装入方式：

  • 绝对装入：编译时就将逻辑地址转化为物理地址，编译器负责地址转换（需要知道装入模块会在内存的哪个位置，单道程序阶段，无操作系统）
  • 静态重定位 可重定位装入： 在装入时转换，装入程序负责（必须分配连续全部的内存空间，无法移动位置，早期多道批处理阶段）
  • 动态重定位 动态运行时装入：程序运行时转换地址，需要重定位寄存器（存放装入模块存放的初始位置）的支持（现代操作系统）| 感觉方法很容易想到

类似的，三种链接方式：静态链接，装入时动态链接，运行时动态链接

编译：由编译程序将源码编译为若干个目标模块（高级语言翻译为机器语言）.c到.o

链接：由链接程序将目标模块及所需的库函数链接到一起，形成一个完整的装入模块/逻辑地址

装入（装载）：由装入程序将装入模块装入内存运行；形成物理地址

3.1.2 内存管理的概念·

  • 负责内存空间的分配与回收

  • 利用技术从逻辑上对内存空间扩充（虚拟性）

  • 负责程序的逻辑地址和物理的转换(三种装入方式)

  • 内存保护，保证各进程互不干扰，不越界访问（CPU设置上下限寄存器、利用重定位（基址：起始物理地址）寄存器和界地址（限长：最大逻辑地址）寄存器判断）

3.1.3 覆盖与交换·

解决程序大小超过物理内存总和的问题

覆盖：（针对单个进程）解决程序大小超过物理内存总和的问题

程序分为多个段，内存一个固定区（需要常驻内存，调入后不调出）和若干个覆盖区（不常用的段，需要时调入）

覆盖区内存大小位每层的最大内存程序

必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖，对用户不透明，增加用户编程负担；现在已不使用

交换：（多个进程间选择换出哪个）内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存和磁盘之间动态调度–中级调度 内存）

磁盘空间分为对换区和文件区：对换区追求速度，空间连续分配；文件区追求存储空间利用率，离散分配

交换通常发生在多进程进行且内存吃紧时，经常发生缺页，则内存紧张，换出一些进程，系统负荷明显降低则停止换出

PCB常驻内存，不换出

虚拟技术以后讲

3.1.4 连续分配管理方式·

连续分配即为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间

单一连续分配：只支持单道程序，内存分为系统区和用户区，用户程序放在用户区；无外部碎片，有内部碎片

内部碎片：分配给某进程的内存区域中未被使用的部分

固定分区分配：用户空间划分大小相等/不等的分区，每个分区装入一道作业;实现简单，无外部碎片，有内部碎片

分区说明表：分区号、大小、起始地址、状态（分配未分配）

用户程序太大时，所有分区都不能满足需求，需要采用覆盖技术

动态分区分配：不预先划分内存分区，进程装入内存时，根据进程大小动态建立分区；有外无内

  • 空闲分区表或空闲分区链

内部碎片：分配给进程的内存区域中，有些部分没有用上

外部碎片：内存中的某些空闲分区由于太小难以利用（进程之间）

紧凑（拼凑 compaction）

3.1.5 动态分区分配算法·

  • 首次适应算法：从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区[空闲分区以地址递增的次序排列] 无顺序检查，算法开销小
  • 最佳适应算法：容量依次递增，优先使用更小的空闲区 产生很多小的外部碎片| 重新排序开销
  • 最大/坏适应算法：容量依次递减，第一个满足要求的空闲分区 当大进程到来时就没有分区满足了 | 重新排序开销
  • 临近适应算法：每次都从上次查找结束的位置开始检索 无顺序检查，算法开销小 （首次适应每次从链头查找，导致低地址部分出现很多空闲分区，无谓的浪费的查找开销；无大进程可用）

3.1.6 基本分页存储管理的概念·

非连续分配管理方式：

基本分页存储管理

页、页面（进程） && 页框、页帧、物理页（内存）

内u才能空间分为大小相等（如4KB）的分区，即页框，编号为页框号，进程的逻辑地址空间分为与页框大小相等的一个个部分，称为页或页面

建立页表来记录进程的每个页面在内存的存放位置（页号和页框号）。页表存在进程的PCB中

假设系统物理内存4GB，页面大小4KB，每个页表项至少多少字节（页号+内存块号）

内存块大小=页面大小=4KB=212B

4GB的内存总共被分为232/212=220个内存块

内存块号的范围是0~220-1

内存块号用20bit表示，字节需要3B（3*8=24>20）

页号类似数组下标，连续的，不占存储空间

  • 基本分段存储管理
  • 段页式存储管理

3.1.7 基本地址变换机构·

基本地址变换机构：用于实现逻辑地址到物理地址转换的一组硬件机构

PCB中（进程未执行时）或页表寄存器PTR（进程被调度时），存放页表在内存中的起始地址F和页表长度M

逻辑地址到物理地址的变换听的有点乱

重看

3.2.1 虚拟内存概念·

传统存储技术特征及缺点：

  • 一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行.1.作业很大时，不能全部装入吗，大作业无法运行2.对于大量作业，只有部分能运行，多道程序并发度降低
  • 驻留性：一单作业被装入，就一直驻留到内存，直至作业运行结束，但一个时间段内只需访问作业的一小部分数据即可正常运行

局部性原理：

  • 时间局部性：如果执行了程序的某条指令，那么不久后这条指令很可能再次执行（或数据访问）
  • 空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，不久后，附近的存储单元也很可能被访问

虚拟内存的三个特征：

  • 多次性：允许作业被分为多次调入内存
  • 对换性：作业允许时无需一直常驻内存，而是允许换入换出
  • 虚拟性：逻辑上扩充了内存的容量

第四章 文件管理·

第五章 I/O设备·

5.1_1_I-O设备的概念和分类·

I/O设备就是可将数据输入到计算机或接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机的硬件部分。

I/O设备按使用特性分类：

  • 人机交互型设备
  • 存储设备
  • 网络通信设备

I/O设备按信息交换的单位分类：

  • 块设备：传输速率较高，可寻址，对它可随机地读/写任一块
  • 字符设备：传输速率较慢，不可寻址，常采用中断驱动方式

5.1.2_I-O控制器·

I/O控制器：CPU控制I/O控制器，I/O控制器控制设备地机械部件

5.1_3_IO控制方式·

程序直接控制方式：

轮询

看读操作的流程图还是比较清晰的：给I/O模块发出读命令，读I/O模块的状态，检查状态，从I/O模块中读取字，往存储器中写入字，完成；下一条指令

CPU干预频繁，CPU不断轮询检查；实现简单，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低

每次读/写一个字；I/O设备–>CPU–>内存（数据输入-读操作）

中断驱动方式：

CPU会在每个指令周期的末尾检查中断

中断需要保存、恢复进程的运行环境，需要时间开销，中断发生频率高，系统性能会降低

等待I/O完成的过程中，CPU可切换到其他进程执行；不再需要不停的轮询，CPU和I/O设备可以并行工作

DMA方式 直接存储器存取 Direct Memory Access

用于对块设备，不再是单个字的传送

数据流向直接从设备到内存，不需要CPU作为中介

只在传送数据块的开始和结束时，才需要CPU干预

DMA控制器中的寄存器：

  • DR 数据寄存器：暂存从设备到内存，或内存到设备的数据
  • MAR 内存地址寄存器：在输入/输出时，MAR表示数据存放到内存的位置
  • DC 数据计数器：表示剩余要读/写的字节数
  • CR 命令/状态寄存器：用于存放CPU发来的I/O命令或设备的状态信息

DMA控制器和内存也直接通过系统总线相连，因此可以直接传送数据

缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块

通道控制方式：

通道：一种硬件，可以识别并执行一系列通道指令

指令执行单一，与CPU共享内存

每次读写一组数据块

5.1_4_I-O软件层次结构·

用户的I/O请求到应答：用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序、硬件（前4称为I/O的软件的层次，中3称为I/O核心子系统或I/O系统-内核部分）

封装：每一层利用下层提供的服务，实现某些功能，并屏蔽实现的具体细节，向高层提供服务

用户层软件：实现与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备操作 printf，Windows API

设备独立性软件：对上层的系统调用处理/提供统一的调用接口；设备的保护；差错处理；设备的分配与回收；数据缓冲区管理；建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系，根据设备类型调用相应的驱动程序

设备驱动程序：设置设备寄存器，检查设备状态（直接涉及到硬件细节操作，且不是中断操作）

中断处理程序：中断处理

5.1_5_输入输出应用程序接口和驱动程序接口·

输入输出应用程序接口

字符设备接口：

get/put系统调用：向字符设备读写一个字符

块设备接口：

read/write系统调用：向块设备的读写指针位置读写多个字符，seek系统调用：修改读写指针位置

网络设备接口：网络套接字socket接口 bind：绑定端口，connect：连接到远程地址，read/write：从套接字读写数据

讲述了socket的流程

阻塞I/O：应用程序发出I/O系统调用，进程需转为阻塞态等待 get

非阻塞I/O：应用程序发出I/O系统调用，系统调用可迅速返回，进程无需阻塞等待 write

设备厂商开发不同操作系统的设备驱动程序

5.2_1_IO核心子系统·

设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序

设备独立性软件：I/O调度、设备保护

I/O调度：用某种算法确定一个顺序来处理各个I/O请求

设备保护：访问权限 参考“文件保护”

5.2_2_假脱机技术·

批处理阶段：引入了脱机输入输出技术 外围控制机 缓解速度矛盾（磁带比纸带快，主机先输出到磁带上）[另一个好处：即使CPU忙碌，也可将数据提前输入到磁带]

脱机：脱离主机的控制进行的输入/输出操作

假脱机技术 SPOOLing技术：用软件的方式模拟脱机技术

输入井：模拟脱机输入时的磁带，用于收容I/O设备输入的数据 （磁盘上）

在输入进程的控制下，输入缓冲区用于暂存从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中

打印机是独占式设备，但可以用假脱机技术改造为共享设备

物理设备虚拟成逻辑上的多个设备

5.2_3_设备的分配与回收·

固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备

分配算法：先来先服务、优先级、短作业优先

安全性：安全分配方式、不安全分配方式

设备分配管理的数据结构：

  • 设备控制表DCT：记录设备情况
  • 控制器控制表COCT
  • 通道控制表CHCT
  • 系统设备表SDT

设备分配步骤的改进：物理设备名到逻辑设备名

5.2_4_缓冲区管理·

缓冲区的作用：

  • 缓和CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾
  • 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
  • 解决数据粒度不匹配的问题
  • 提高CPU和I/O设备之间的并行性

单缓冲策略，处理一块数据平均耗时：Max(C,T)+M(C CPU处理 T输入到缓冲区 M传送到工作区)

双缓冲策略，在主存中分配两个缓冲区

循环缓冲区：将多个大小相等的缓冲区链接为一个循环队列

in，out指针：指向下一个可冲入数据/取出数据的空缓冲区

缓冲池

5.3_1_磁盘的物理结构·

磁盘表面由磁性物质组成，可用磁性物质记录二进制数据

磁盘的物理地址定位：（柱面号，盘面号，扇区号）

5.3_2_磁盘调度算法·

5.3_4_磁盘的管理·

物理格式化：磁盘各个磁道划分为扇区；分区；逻辑格式化

ROM中存放很小的自举装入程序，完整的装入程序放在磁盘的启动块中

坏块：硬件故障、无法正常使用的扇区；标记

5.3_5_固态硬盘SSD·