《操作系统》第4章存储器管理.

第四章存储器管理重点理解重定位的基本概念掌握动态分区分配方式掌握理解分页存储管理方式掌握理解分段存储管理方式难点动态分区分配算法分页和分段地址转换第四章存储器管理知识点重定位的基本概念动态分区分配方式及分配算法、分区保护对换区的实现分页存储管理及地址变换，信息共享和保护分段存储管理及地址变换，信息共享和保护第四章存储器管理存储器：内存（主存）和外存（磁盘）功能：保存数据；发展方向：高速、大容量和小体积。内存（访问速度）：DRAM、SDRAM、SRAM，DDRSDRAM等；硬盘（大容量）：接口标准、存储密度等；主存储器管理技术实存储器管理虚拟存储器管理（第5章）第四章存储器管理4.1存储器的层次结构4.2程序的装入和链接4.3连续分配存储器管理方式4.4对换（Swapping）4.5分页存储管理方式4.6分段存储管理方式4.1存储器的层次结构4.1.1多层结构的存储系统4.1.2主存储器和寄存器4.1.3高速缓存和磁盘缓存4.1.1多层结构的存储系统存储器的多层结构存储组织是指在存储技术和CPU寻址技术许可的范围内组织合理的存储结构。依据：访问速度匹配关系、容量要求和价格。“寄存器-内存-外存”结构“寄存器-缓存-内存-外存”结构；微机中的存储层次组织：访问速度越慢，容量越大，价格越便宜；最佳状态应是各层次的存储器都处于均衡的繁忙状态例，缓存命中率正好使主存读写保持繁忙；4.1.1多层结构的存储系统高速缓存：DataCacheTLB(TranslationLookasideBuffer)内存：DRAM,SDRAM等；外存：软盘、硬盘、光盘、磁带等；寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄CPU寄寄寄寄寄寄寄4.1.2主存储器和寄存器主存储器，也称可执行存储器作用：保存进程运行时的程序和数据；容量微机和大中型机：数百MB~数十GB嵌入式计算机：几十KB~几MB。问题：访问速度远低于CPU执行指令的速度解决方法：引入寄存器和高速缓存。4.1.2主存储器和寄存器主存储器管理功能存储分配和回收分配和回收算法及相应的数据结构地址变换和重定位可执行文件生成中的链接技术程序加载(装入)时的重定位技术进程运行时硬件和软件的地址变换技术和机构存储共享和保护代码和数据共享地址空间访问权限（读、写、执行）存储器扩充：存储器的逻辑组织和物理组织；由应用程序控制：覆盖；由OS控制：交换（整个进程空间），虚拟存储的请求调入和预调入（部分进程空间）4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史RAM（randomaccessmemory）随机存储器。按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM)和动态随机存储器（DynamicRAM,DRAM)。静态存储器（SRAM）存储原理：由触发器存储数据单元结构：六管NMOS或OS构成优点：速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低；常用作Cache缺点：元件数多、集成度低、运行功耗大4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史动态存储器（DRAM）存贮原理：利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理，需刷新；刷新(再生)：为及时补充漏掉的电荷以避免存储的信息丢失，必须定时给栅极电容补充电荷的操作刷新时间：定期进行刷新操作的时间。该时间必须小于栅极电容自然保持信息的时间（小于2ms）。优点：集成度远高于SRAM、功耗低，价格也低缺点：因需刷新而使外围电路复杂；刷新也使存取速度较SRAM慢，所以在计算机中，DRAM常用于作主存储器。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史SIMM（SingleIn-lineMemoryModules）单边接触内存模组，80286上使用，容量为256KB（30pin），由8片数据位和1片检验位组成组成一个bank。由4条一起使用。386,486使用72pinSIMM支持32bit快速页模式内存，容量为512KB~2MB，要求2条一起使用。与30pin不兼容，因此淘汰了30pinSIMM。FPMDRAM(FastPageMode)：386时代很流行。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史EDODRAM：(ExtendedDataOut)，1991~1995年取消了扩展数据输出与传输内存两个存储周期之间的时间间隔，数据发给CPU同时访问下一个页面。速度比普通DRAM快15~30%。主要应用于486及早期pentium，分为72pin和168pin两种。单条容量已达4~16MB。由于Pentium及更高CPU支持64bit，故EDORAM与FPMRAM都必须成对使用。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史DIMM：Dual-Inline-Memory-Modules,双列直插式存储模块DIMM提供了64位的数据通道，在奔腾主板上可以单条使用。它有168条引脚，故称为168线内存条。SO-DIMM（SmallOutlineDIMMModule）：尺寸比标准的DIMM要小很多，而且引脚数也不相同。FB-DIMM（FullBuffered–DIMM）：每个DIMM上的缓冲区是互相串联的，之间是点对点的连接方式，数据会在经过第一个缓冲区后传向下一个缓冲区。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史RIMM：RambusInlineMemoryModuleRambus生产的RDRAM内存所采用的接口类型。RIMM非ECC版有16位和32位数据宽度，ECC版则都是18位宽。RIMM非ECC版16位内存每面92线，双面184线。32位内存每面116线，双面为232线。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史SDRAM：（SynchronousDynamic）第一代使用PC66规范，由于Intel与AMD之争，CPU外频提升到100MHz，PC66很快被PC100取代，接着133MHz的PIII与K7出现，PC133规范进一步提高SDRAM的整体性能，带宽提高到1GB/sec以上。SDRAM带宽为64bit，与CPU完全对应，仅需一条就可与工作。RAM与CPU以相同的时钟频率控制，使它们与外频同步，速度明显超越EDO。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史RDRAM：（RambusDRAM）Intel与Rambus联合推广。采用类RISC（ReducdeInstructionSetComputing）理论，减少数据的复杂性，提高整个系统的性能。PC600，PC700的RDRAM出现Intel820芯片组“失误事件”，PC800RDRAM成本过高，PC1066也无法力挽狂澜。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史DDRSDRAM：DoubleDataRateSDRAM双倍速率SDRAM，可以认为是SDRAM的升级DDR在时钟脉冲的上升沿和下降沿各传输一次数据，故比传统SDRAM速度快一倍。由于仅多使用下降信号传输数据，故不会增加能耗。定址与控制信号采用时钟上升沿传输。DDR第一代DDR200没有得到推广；第二代PC266DDRSDRAM由PC133SDRAM衍生得到。DDR333，DDR400，双通道DDR400，DDR533。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史DDRSDRAMDDR2JEDEC组织提出DDR2标准，加上LGA775的915/925以及945。融入PostCAS、OCD（Off-ChipDriver）、ODT（OnDieTermination）等新性能指标和中断指令，提升内存带宽的利用率。时钟频率：400，667，800，1000MHz等。采用200、220、240pin的FBGA封装形式。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史DDRSDRAMDDR3使用了SSTL15的I/O接口，运作I/O电压是1.5V，采用CSP、FBGA封装方式包装。新增CWD（作为写入延迟之用）、Reset（提供了超省电功能的命令）、ZQ（新增校准功能）、SRT（Self-ReflashTemperature，可编程化温度控制内存时脉功能）、PASR（PartialArraySelf-Refresh）局部Bank刷新功能。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史DDRSDRAMDDR4内存规格原计划在2011年制定完成，标准规范的正式公布是在2012年9月底，2012年开始投入生产并上市的。2014年首先用于服务器领域；2015年支持桌面系统（IntelSkylake，14nm）。4.1.2主存储器和寄存器主存储器发展历史DDRSDRAMDDR4，主要变化外观变化明显，金手指变成弯曲状频率提升明显，可达4266MHz容量提升明显，可达128GB功耗明显降低，电压达到1.2V、甚至更低4.1.2主存储器和寄存器寄存器访问速度最快，完全能与CPU协调工作，但价格却十分昂贵，因此容量不可能做得很大。长度一般以字(word)为单位。寄存器的数目，对于当前的微机系统和大中型机，可能有几十个甚至上百个；而嵌入式计算机系统一般仅有几个到几十个。作用：加速存储器的访问速度，或加快地址转换速度等。4.1.3高速缓存和磁盘缓存高速缓存介于寄存器和主存储器之间的存储器，主要用于备份主存储器中的数据。容量：大于或远大于寄存器，而比内存约小两到三个数量级左右，从几十KB到几MB。根据程序执行的局部性原理，将主存中一些经常访问的信息存放在高速缓存中，减少访问主存储器的次数，可大幅度提高程序执行速度。4.1.3高速缓存和磁盘缓存磁盘缓存磁盘的I/O速度远低于对主存的访问速度，因此将频繁使用的磁盘数据，暂时存放在磁盘缓存中，可减少访问磁盘的次数。磁盘缓存本身并不是一种实际存在的存储介质，利用主存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出(或写入)的信息。另外，主存也可以看做是辅存的高速缓存。4.2程序的装入和链接物理地址内存单元所看到的地址。用于内存芯片级的单元寻址，与处理器和CPU连接的地址总线相对应。又称为绝对地址。逻辑地址由CPU生成。机器语言指令中，用来指定一个操作数或者是一条指令的地址。也称为虚拟地址，相对地址。0X000000000XFFFFFFFF4GB4.2程序的装入和链接多道程序环境下，程序以进程方式运行；创建进程分配内存源程序编译（compile）链接(link)装入(load)进程寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄…4.2程序的装入和链接inti=0,n=200;while(in){couti;myprint（i）;i++;}0:i=0;1:n=200;2:ifnot(in)jmp7;3:couti;4:callmyprint(i);5:i++;6:jmp2;7:holt;编译逻辑地址myprint(inti){intj=i*2;coutj;}0:j=i*2;1:coutj;2:holt;4.2程序的装入和链接0:i=0;1:n=200;2:ifnot(in)jmp7;3:couti;4:callmyprint(i);5:i++;6:jmp2;7:holt;链接0:j=i*2;1:coutj;2:holt;0:i=0;1:n=200;2:ifnot(in)jmp7;3:couti;4:callmyprint(i);5:i++;6:jmp2;7:holt;0:j=i*2;1:coutj;2:holt;0:i=0;1:n=200;2:ifnot(in)jmp7;3:couti;4:jmp8;5:i++;6:jmp2;7:holt;8:j=i*2;9:coutj;10:jmp5;4.2程序的装入和链接0:i=0;1:n=200;2:ifnot(in)j