第六章虚拟存储器( Virtual Memory) 教学目的: 为了在内存空间运行超过内存总容量的大作业,或者同时运 行大量作业,解决的方法是从逻辑上扩充内存容量,这正是 虚拟存储技术所要解决的主要问题。本课要介绍虚拟存储技 术实现的各种方案,每种方案所需的硬件和软件支持
第六章 虚拟存储器(Virtual Memory) 教学目的： 为了在内存空间运行超过内存总容量的大作业，或者同时运 行大量作业，解决的方法是从逻辑上扩充内存容量，这正是 虚拟存储技术所要解决的主要问题。本课要介绍虚拟存储技 术实现的各种方案，每种方案所需的硬件和软件支持
教学要求: ·掌握虚拟存储器的理论基础和定乂,熟悉虚拟存储器实现 方式和特征。 掌握请求分页的页表机制、缺页中断机构和地址变换机构 熟悉页面的分配和置换策略、页面的分配的算法 熟练掌握最佳置换算法、先进先岀(FIFO)置换算法、最 近最久未使用置换算法LRU,掌握 Clock置换算法和页面缓 冲算法;掌握有效访问时间计算,熟悉工作集概念。 掌握请求分段的段表机制、缺段中断机构和地址变换机构, 熟悉分段的共享和保护
教学要求： • 掌握虚拟存储器的理论基础和定义，熟悉虚拟存储器实现 方式和特征。 • 掌握请求分页的页表机制、缺页中断机构和地址变换机构， 熟悉页面的分配和置换策略、页面的分配的算法。 • 熟练掌握最佳置换算法、先进先出（FIFO）置换算法、最 近最久未使用置换算法LRU，掌握Clock置换算法和页面缓 冲算法；掌握有效访问时间计算，熟悉工作集概念。 • 掌握请求分段的段表机制、缺段中断机构和地址变换机构， 熟悉分段的共享和保护
61虚拟存储器( Virtual memory)的基本概念 问题的提出 物理存储器的结构是个一维的线性空间,容量是有限的。 用户程序结构 维空间 个用户程序就是一个程序,并且程序和数据是不分离的 二维空间程序由主程序和若千个子程序(或函数)组成,并且程序与数 据是分离的; n维空间即一个大型程序,由一个主模块和多个子模块组成,其中,各子 模块又由主程序和子程序(或函数)组成 用户程序的大小,可能比内存容量小,也可能比内存容量大,有时候要大 得多。 如何将大于物理内存容量的用户程序装入运行?这就是提出研究虚拟存储 器的原因,或称为虚拟存储技术发展的原动力。 虚拟存储器的基本思想:程序、数据、堆栈的大小可以超过内存的大小, OS把程序当前使用的部分保留在内存,而把其它部分保留在磁盘上,并在 需要时在内存和磁盘之间动态交换。同时支持多道程序设计技术
6.1 虚拟存储器(Virtual Memory)的基本概念 问题的提出 物理存储器的结构是个一维的线性空间，容量是有限的。 用户程序结构： 一维空间 一个用户程序就是一个程序，并且程序和数据是不分离的； 二维空间 程序由主程序和若干个子程序（或函数）组成，并且程序 与数 据是分离的； n维空间 即一个大型程序，由一个主模块和多个子模块组成，其中 ，各子 模块又由主程序和子程序（或函数）组成。 用户程序的大小，可能比内存容量小，也可能比内存容量大，有时候要大 得多。 如何将大于物理内存容量的用户程序装入运行？这就是提出研究虚拟存储 器的原因，或称为虚拟存储技术发展的原动力。 虚拟存储器的基本思想：程序、数据、堆栈的大小可以超过内存的大小， OS把程序当前使用的部分保留在内存，而把其它部分保留在磁盘上，并在 需要时在内存和磁盘之间动态交换。同时支持多道程序设计技术
61虚拟存储器的基本概念 次性及驻留性的必要性? 611虚拟存储器的引入 1.局部性原理 早在1968年P. Denning就指出过,程序在执行时在时间和空 间上将呈现出局部性规律,即在一段时间内,程序的执行仅 局限于某个部分;相应地,它所访问的存储空间也局限于某 个区域内。那么程序为什么会出现局部性规律呢?原因可以 归结为以下4点: 程序在执行时,除了少部分的转移和过程调用指令外,大多 数仍是顺序执行的 子程序调用将会使程序的执行由一部分内存区域转至另一部 分区域。但在大多数情况下,过程调用的深度都不超过5. ·程序中存在许多循环结构,循环体中的指令被多次执行。 程序中还包括许多对数据结构的处理,如对连续的存储空 间—数组的访问,往往局限于很小的范围内
6.1 虚拟存储器的基本概念 一次性及驻留性的必要性？ 6.1.1 虚拟存储器的引入 1．局部性原理 早在1968年P．Denning就指出过，程序在执行时在时间和空 间上将呈现出局部性规律，即在一段时间内，程序的执行仅 局限于某个部分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某 个区域内。那么程序为什么会出现局部性规律呢？原因可以 归结为以下4点： • 程序在执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外，大多 数仍是顺序执行的。 • 子程序调用将会使程序的执行由一部分内存区域转至另一部 分区域。但在大多数情况下，过程调用的深度都不超过5。 • 程序中存在许多循环结构，循环体中的指令被多次执行。 • 程序中还包括许多对数据结构的处理，如对连续的存储空 间——数组的访问，往往局限于很小的范围内
虚拟存储器的引入-1 所以局限性表现为: 时间局限性:如果程序中的某条指令一旦执行,则不久的将 来该指令可能再次被执行;如果某个存储单元被访问,则不 久以后该存储单元可能再次被访问。产生时间局限性的典型 原因是在程序中存在着大量的循环操作 空间局限性:一旦程序访问了某个存储单元,则在不久的将 来,其附近的存储单元也最有可能被访问。即程序在一段时 间内所访问的地址,可能集中在一定的范围内,其典型原因 是程序是顺序执行的 2。虚拟存储技术 虚存:把内存与外存结合起来使用,从而得到一个容量很大 的内存,这就是虚存。其逻辑容量由内存和外存容量之和决 定
虚拟存储器的引入-1 所以局限性表现为： 时间局限性：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久的将 来该指令可能再次被执行；如果某个存储单元被访问，则不 久以后该存储单元可能再次被访问。产生时间局限性的典型 原因是在程序中存在着大量的循环操作。 空间局限性：一旦程序访问了某个存储单元，则在不久的将 来，其附近的存储单元也最有可能被访问。 即程序在一段时 间内所访问的地址，可能集中在一定的范围内，其典型原因 是程序是顺序执行的。 2。虚拟存储技术 虚存：把内存与外存结合起来使用，从而得到一个容量很大 的内存，这就是虚存。其逻辑容量由内存和外存容量之和决 定
虚拟存储器的引入-2 实现思想 根据局部性原理,一个作业在运行之前,没有必要把全部作业装入内存,而 仅将那些当前要运行的那部分页面或段,先装入内存便可启动运行,其余 部分暂时留在磁盘上。程序在运行时,由请求调入或置换完成执行。这样 可使一个大用户程序在较小内存空间运行;也可使内存中有更多进程并发 执行。 请求调入: 程序在运行时如果它所要访问的页(段)已调入内存,便可继续执行下去; 但如果程序所要访问的页(段)尚未调入内存(称为缺页或缺段),此时 程序应利用OS所提供的请求调页(段)功能,将它们调入内存,以使进程 能继续执行下去。 置换: 如果此时内存已满,无法再装入新的页(段),则还须再利用页(段)的置 换功能,将内存中暂时不用的页(段)调出至磁盘上,腾出足够的内存空 间后,再将所要访问的页(段)调入内存,使程序继续执行下去。 从用户角度看,该系统所具有的内存容量,将比实际内存容量大得多,人们 把这样的存储器称为虚拟存储器
虚拟存储器的引入-2 实现思想： 根据局部性原理，一个作业在运行之前，没有必要把全部作业装入内存，而 仅将那些当前要运行的那部分页面或段，先装入内存便可启动运行，其余 部分暂时留在磁盘上。程序在运行时，由请求调入或置换完成执行。这样， 可使一个大用户程序在较小内存空间运行；也可使内存中有更多进程并发 执行。 请求调入： 程序在运行时如果它所要访问的页（段）已调入内存，便可继续执行下去； 但如果程序所要访问的页（段）尚未调入内存（称为缺页或缺段），此时 程序应利用OS所提供的请求调页（段）功能，将它们调入内存，以使进程 能继续执行下去。 置换： 如果此时内存已满，无法再装入新的页（段），则还须再利用页（段）的置 换功能，将内存中暂时不用的页（段）调出至磁盘上，腾出足够的内存空 间后，再将所要访问的页（段）调入内存，使程序继续执行下去。 从用户角度看，该系统所具有的内存容量，将比实际内存容量大得多，人们 把这样的存储器称为虚拟存储器
3虚拟存储器实现方式 1。请求分页系统: 它是在分页系统的基础上,增加了请求调页功能和页面置换 功能所形成的页式虚拟存储系统。它允许只装入若干页(而 非全部程序)的用户程序和数据,就可以启动运行,以后再 通过调页功能和页面置换功能,陆续把将要运行的页面调入 内存,同时把暂不运行的页面置换到外存上,置换时以页面 为单位 2。请求分段系统: 它是在分段系统的基础上,增加了请求调段和分段置换功能 所形成的段式虚拟存储系统。它允许只装入若干段(而非全 部段)的用户程序和数据,就可以启动运行,以后再通过调 段功能和置换功能将不运行的段调出,同时调入将要运行的 段,置换以段为单位。 3。请求段页式系统:它是在段页式系统的基础上,增加了请求 调页和页面置换功能所形成的段页式虚拟存储系统
3 虚拟存储器实现方式 1。请求分页系统： 它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能和页面置换 功能所形成的页式虚拟存储系统。它允许只装入若干页（而 非全部程序）的用户程序和数据，就可以启动运行，以后再 通过调页功能和页面置换功能，陆续把将要运行的页面调入 内存，同时把暂不运行的页面置换到外存上，置换时以页面 为单位。 2。请求分段系统： 它是在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能 所形成的段式虚拟存储系统。它允许只装入若干段（而非全 部段）的用户程序和数据，就可以启动运行，以后再通过调 段功能和置换功能将不运行的段调出，同时调入将要运行的 段，置换以段为单位。 3。请求段页式系统：它是在段页式系统的基础上，增加了请求 调页和页面置换功能所形成的段页式虚拟存储系统
虚拟存储器 4虚拟存储器的特征 离散性:指在内存分配时采用离散的分配方式,它是虚拟存 储器的最基本的特征 多次性:指一个作业被分成多次调入内存运行,即在作业运 行时没有必要将其全部装入,只须将当前要运行的那部分程 序和数据装入内存即可。多次性是虚拟存储器最重要的特征。 对换性:指允许在作业的运行过程中在内存和外存的对换区 之间换进、换出。 虚拟性:指能够从逻辑上扩充内存容量,使用户所看到的内 存容量远大于实际内存容量
虚拟存储器 4 虚拟存储器的特征 • 离散性：指在内存分配时采用离散的分配方式，它是虚拟存 储器的最基本的特征。 • 多次性：指一个作业被分成多次调入内存运行，即在作业运 行时没有必要将其全部装入，只须将当前要运行的那部分程 序和数据装入内存即可。多次性是虚拟存储器最重要的特征。 • 对换性：指允许在作业的运行过程中在内存和外存的对换区 之间换进、换出。 • 虚拟性：指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内 存容量远大于实际内存容量
62请求分页存储管理方式 1、基本工作原理 请求分页技术当一个用户程序要调入内存时,不是将该程序 全部装入内存,而是只装入部分页到内存,就可启动程序运 行,在运行的过程中,如果发现要运行的程序或要访问数据 不在内存,则向系统发出缺页中断请求,系统在处理这个中 断时,将在外存相应的页调入内存,该程序继续运行 2请求分页中的硬件支持 1)请求分页的页表机制 它是在纯分页的页表机制上形成的,由于只将应用程序的 部分调入内存,还有一部分仍在磁盘上,故需在页表中再增 加若干项,供程序(数据)在换进、换出时参考。在请求分页 系统中的每个页表项如图所示。 页号物理块号状态位P访间字段A修改位M「外存地址
6.2 请求分页存储管理方式 1、基本工作原理 • 请求分页技术当一个用户程序要调入内存时，不是将该程序 全部装入内存，而是只装入部分页到内存，就可启动程序运 行，在运行的过程中，如果发现要运行的程序或要访问数据 不在内存，则向系统发出缺页中断请求，系统在处理这个中 断时，将在外存相应的页调入内存，该程序继续运行。 2 请求分页中的硬件支持 1）请求分页的页表机制 它是在纯分页的页表机制上形成的，由于只将应用程序的一 部分调入内存，还有一部分仍在磁盘上，故需在页表中再增 加若干项，供程序(数据)在换进、换出时参考。在请求分页 系统中的每个页表项如图所示。 页号 物理块号 状态位P 访问字段A 修改位M 外存地址
请求分页中的硬件支持-1 其中各字段说明如下: 状态位(存在位P):用于指示该页是否已调入内存,供程序 访问时参考。1—在内存;0不在内存。 访问字段A:用于记录本页在一段时间内被访问的次数,或 最近已有多长时间未被访问,提供给置换算法选择换出页面 时参考。页面访问频度。 修改位M:表示该页在调入内存后是否被修改过。由于内存中 的每一页都在外存上保留一份副本,因此,若未被修改,在 置换该页时就不需将该页写回到外存上,以减少系统的开销 和启动磁盘的次数;若已被修改,则必须将该页重写到外存 上,以保证外存中所保留的始终是最新副本 外存地址:用于指出该页在外存上的地址,通常是物理块号, 供调入该页时使用
请求分页中的硬件支持-1 其中各字段说明如下： • 状态位（存在位P）：用于指示该页是否已调入内存，供程序 访问时参考。1—在内存；0—不在内存。 • 访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或 最近已有多长时间未被访问，提供给置换算法选择换出页面 时参考。页面访问频度。 • 修改位M：表示该页在调入内存后是否被修改过。由于内存中 的每一页都在外存上保留一份副本，因此，若未被修改，在 置换该页时就不需将该页写回到外存上，以减少系统的开销 和启动磁盘的次数；若已被修改，则必须将该页重写到外存 上，以保证外存中所保留的始终是最新副本。 • 外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号， 供调入该页时使用