2008～2009学年度第 1 学期编号__8__信息工程系计算机教研室任课教师曹维祥
课程名称操作系统
授课班级：应0701、02，维0701，软0701 授课日期：10.27~11.2
课型：理论课课时安排：2课时
教学内容：3.1 固定分区存储管理
3.2 可变分区存储管理
教学目标：1.掌握绝对地址、相对地址等概念
2.理解地址重定位的作用及静态和动态重定位的异同
3.掌握外部碎片、内部碎片的概念
4. 掌握单一连续分区、固定分区、可变分区存储管理
教学重点：1.绝对地址、相对地址等概念
2.地址重定位的作用
3. 外部碎片、内部碎片的概念
4.单一连续分区、固定分区、可变分区存储管理
教学难点：1.绝对地址、相对地址等概念
2.地址重定位的作用
教学方法：讲授
教学用具：无
教学过程：
[复习]
存储管理的功能[导入新课]
[新课]
一、基本概念
1.存储器的层次
三级存储器结构（粗分）：
（1）寄存器――当前要执行的指令或要处理的数据
（2）内存――正在运行的程序和相关数据
（3）外存――“资料”长期保存
CPU不能直接去存取外存上的信息，外存上的程序或数据必须先移到内存中，才能被CPU访问。内存是一个大型的，由字节构成的一维数组，每一个单元都有自己的地址。
注：存储管理主要是对内存的管理、分配，涉及到的外存，也是对内存管理的支持。
2.地址重定位
（1）物理地址（绝对地址）
内存单元唯一的、真实的地址，CPU最终依据物理地址区分（存取）各单元。（2）逻辑地址（相对地址）
程序中相对本程序的“0”（开始）编址所产生的地址。
（3）地址空间
地址集合
物理地址空间――存储空间
逻辑地址空间――地址空间（4）地址重定位
相对地址转换为绝对地址的过程，称为地址重定位。
（5）为什么要地址重定位？
多道程序下，编写程序时无法事先知道内存区域中哪一部分是空闲的，哪一部分已被占用，也就无法在程序中直接使用物理地址，但程序不可避免的要使用地址。这之间有个矛盾，解决方法是编写（编译）程序时，使用相对地址，而在程序执行时（或者执行之前）将相对地址转换成绝对地址。
例：调用子程序的操作最终转化为跳转指令，跳到该子程序所在的第一条指令的地址。编写程序时并不知道这个子程序加载到内存的哪一个区域，也就无法直接指定该地址。
（6）地址的静态重定位
程序运行之前，为用户程序实行地址重定位的工作。一般由操作系统的加载程序完成。
特点：
A)程序运行之前
B)可完全由软件（操作系统）来实现，不需要硬件支持
C)一次性集中完成D)重定位后，不方便在内存中移动程序
二、单一连续分区管理
适用于单道系统，将内存分为2个连续区域：系统区、用户区。整个用户区只加载一个用户程序，且为该程序独占
系统区：由操作系统占用
用户区：由用户程序占用
1．主存空间的分配与回收
（1）分配：首先，从作业队列中取出一个作业；判断作业的大小是否大于用户区的大小，若大于则作业不能装入，否则，可以把作业装入用户区。它一次只能装入一个作业。
（2）回收：
作业一旦进入主存，就要等到它结束后才能释放主存，再装入第二个作业即可。2．地址转换与存储保护
（1）地址转换
它采用静态重定位方式。
（2）存储保护通过和界限寄存器的值进行比较，不满足时产生一个“地址越界”中断信号，由操作系统进行处理，以达到存储保护的目的。
注：只有用户程序与操作系统之间的保护，无用户程序之间的保护。
3．管理特点
（1）管理简单。
（2）资源利用率低。不管用户区有多大，它一次只能装入一个作业，这样造成
了存储空间的浪费，使系统整体资源利用率不高。
4.大作业与小作业
小作业：内部碎片――分配给用户程序了，但用户程序未使用的内存区域。（其它程序也不能使用）
大作业：覆盖技术
早期为程序设计人员提供的一种扩充内存的技术，其中心思想是允许一个作业的若干个程序段使用同一个存储区，被共用的存储区被称为“覆盖区”。（程序可能不会同时用到全部的子程序，用到各个子程序时，将该子程序加载到该“覆盖区”）
5.交换
早期内存容量不够大，在小内存下实现具有“多道”的效果的技术。
将作业信息都存放在辅助存储器上，根据单一连续分区存储管理的分配策略，每次只让其中的一个进入内存投入运行。当运行中提出输入输出请求或分配给的时间片用完时，就把这个程序从内存储器“换出”到辅助存储器，把辅助存储器里的另一个作业“换入”内存储器运行。这样，从宏观上看，系统中同时就有几个作业处在运行之中。
注：覆盖和交换均达到了“扩充”内存的目的。
三、固定分区存储管理
早期多道系统下采用的存储管理方式，系统启动后将用户内存区域划分为若干个大小不等的固定区域，每个区域称为一个分区，每个分区装入一个作业。
分区大小和数量均相对固定。
为什么大小不等？
方便装入大小不等的作业，减少内部碎片的影响。
1．主存空间的分配与回收
（1）采用的数据结构
一般设置了一张分区分配表。
分区分配表的内容包括：分区序号、起始地址、大小、状态。
状态栏的值为“0”表示分区空闲，可以装入作业；当装入作业后，其值改为作业名，表示这个分区被该作业占有。
（2）主存空间的分配
检查分区分配表，选择状态标志为“0”的分区，按某种分配策略（首次适应、最佳适应法）检查，若符合，则将作业装入该分区。
注：大作业不能装入。
（3）主存空间的回收
当作业运行结束时，根据作业名到分区分配表中进行检查，从状态栏的记录可知该作业占用的分区，把该分区的状态标志置成“0”，表示该分区就空闲了，可以用来装入新的作业。
2．地址转换与存储保护
（1）地址转换
采用静态重定位方式。
（2）存储保护
系统设置了一对寄存器，称为“下限寄存器”和“上限寄存器”记录当前在运行作业在主存储器中的下限和上限地址。
当CPU执行作业的指令时检查：“下限地址<=绝对地址<=上限地址”。
注：用户程序和操作系统之间；用户程序之间
3．特点（1）简单
（2）还是存在内部碎片；大作业不能装入
注：为什么会存在内部碎片？
分区大小固定
若空闲的内存大小（不连续）大小大作业，为什么大作业还是不能装入？
现在只是内部碎片，该分区已分配给其它程序。外部碎片时，原因：要求连续的存储空间。
四、可变分区存储管理
系统启动后不划分固定的分区，而是在作业要求装入主存时，根据作业的大小动态地划分分区，使分区的大小正好适应作业的要求。各分区的大小是不定的，主存中分区的数目也是不定的。
1.外部碎片
内存区域中未分配给任何作业，但因区域过小，又不能分配给作业的区域。
可变分区下解决了内部碎片，但又出现外部碎片。解决方法是合并空闲分区，这又要求程序能在内存移动。静态重定位的机制不适合程序在内存中的移动。
2.动态重定位
程序执行时，进行地址的转换。也就是说执行指令时，对指令中的地址进行转换工作。
特点：
A) 程序运行时（时间）
B) 要硬件支持（谁做）
C) 指令中涉及到地址时（怎么做）
D) 方便在内存中移动程序（结果）
3.空闲区的合并
一般有两种合并时机：
（1）当大作业要求未满足时
（2）作业结束时
注：合并是不得已而为之（严重影响系统效率）
4.分区的管理与组织
操作系统按什么方式记录、管理内存的使用情况。（1）表格法（2）单链表
（3）双链表
表格法实现简单，但要专门保留一块区域存放表格，表格多大？（可以存放多少项？，多了――浪费；少了――不够用
注：数据结构的知识，顺序表、链表等及特点
数据的逻辑形式、物理组织形式。
5.空闲分区的分配算法
按什么策略分配分区。
（1）最先适应法
分配最先找到的、满足存储需求的那个空闲分区
（2）最佳适应法
分配能够满足存储需求的、最小的空闲分区
（3）最坏适应法
分配能够满足存储需求的、最大的空闲分区
最佳适应法每次分配后，有可能造成一个很小的外部碎片，经过若干次后，系统中会存在很多很小外部碎片，系统必须频繁的合并分区；最坏适应法分配后，剩下的空闲区域相对比较大，可能能够装入另一个作业，形成碎片机率相对小。
6.地址的重定位与存储保护
（1）重定位
动态重定位
（2）存储保护
上限寄存器与下限寄存器
[小结]
总结：
单道→多道：固定分区→可变分区
内部碎片→出现外部碎片为什么可解决内部碎片？
根据作业大小，动态分配区域
静态重定位→动态重定位程序加载到内存后，相对地址不需
改动，可移动
不一定是真的要移动（为移动而移动），如交换时，作业再调入内存时，不需要加载到同样的位置
单一连续分区、固定分区、可变分区都要求程序在内存中战用连续的内存区域。若不要求占用连续存储区域，即可解决外部碎片。
[作业]
P81 2
[课后小结]
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