【操作系统】分段存储管理方式

骑猪看日落 2022-07-14 14:58 575阅读 0赞

# 分段存储管理方式的引入 #

分段存储管理方式的引入是为了满足用户的要求。

1.  方便编程：通常一个作业是由多个程序段和数据段组成的，一般情况下，用户希望按逻辑关系对作业分段，并能根据名字来访问程序段和数据段。
2.  信息共享：
    
     *  共享是以信息的逻辑单位为基础的。页是存储信息的物理单位，段却是信息的逻辑单位。
     *  页式管理中地址空间是一维的，主程序，子程序都顺序排列，共享公用子程序比较困难，一个共享过程可能需要几十个页面。  
        ![图示][SouthEast]
3.  信息保护：
    
     *  页式管理中，一个页面中可能装有 2 个不同的子程序段的指令代码，不能通过页面共享实现共享一个逻辑上完整的子程序或数据块。
     *  段式管理中，可以以信息的逻辑单位进行保护。
4.  动态增长：实际应用中，某些段（数据段）会不断增长，前面的存储管理方法均难以实现。
5.  动态链接：动态链接在程序运行时才把主程序和要用到的目标程序（程序段）链接起来。

# 分段系统的空间划分 #

将用户作业的逻辑地址空间划分成若干个大小不等的段（由用户根据逻辑信息的相对完整来划分） 。各段有段名（常用段号代替） ，首地址为 0。

![图示][SouthEast 1]

# 利用段表实现地址映射 #

![图示][SouthEast 2]

# 段表 #

段表记录了段与内存位置的对应关系。  
段表保存在内存中。  
段表的基址及长度由段表寄存器给出。  
![图示][SouthEast 3]  
访问一个字节的数据/指令需访问内存两次 (段表一次，内存一次)。  
逻辑地址由段和段内地址组成。  
![这里写图片描述][SouthEast 4]  
![图示][SouthEast 5]

在为作业分配内存时以段为单位，分配一段连续的物理地址空间，段间不必连续。  
分页管理中，作业地址空间是一维的，逻辑地址是的线性地址。  
分段管理中，整个作业的地址空间由于是分成多个段，因而是二维的，其逻辑地址由段号和段内地址所组成。

# 地址变换机构 #

系统将逻辑地址中的段号 S 与段表长度 TL 进行比较。

*  若 S>TL，表示段号太大，是访问越界，于是产生越界中断信号。
 *  若未越界，则根据段表的始址和该段的段号，计算出该段对应段表项的位置，从中读出该段在内存的始址。

再检查段内地址 d，是否超过该段的段长 SL。

*  若超过，即 d >SL，同样发出越界中断信号。
 *  若未越界，则将该段的基址与段内地址 d 相加，即可得到要访问的内存物理地址。

![图示][SouthEast 6]

![图示][SouthEast 7]

![图示][SouthEast 8]

![图示][SouthEast 9]

# 信息共享 #

分段系统的一个突出优点，是易于实现段的共享，对段的保护也十分简单。

例：一个多用户系统，可同时接纳 40 个用户，都执行一个文本编辑程序 (Text Editor)。如果文本编辑程序有 160KB 的代码和另外 40 KB 的数据区，如果不共享，则总共需有 8 MB 的内存空间来支持 40 个用户。

可重入代码(Reentrant Code) 又称为“纯代码”(PureCode)，是一种允许多个进程同时访问的代码。为使各个进程所执行的代码完全相同，绝对不允许可重入代码在执行中有任何改变。因此，可重入代码是一种不允许任何进程对它进行修改的代码。

如果 160 KB 的代码是可重入的，则无论是在分页系统还是在分段系统中，该代码都能被共享。  
在内存中只需保留一份文本编辑程序的副本，此时所需的内存空间仅为 1760 KB(40×40+160)，而不是(160+40)×40= 8000 KB 。

# 分页系统的共享 #

![图示][SouthEast 10]

# 分段系统的共享 #

在分段系统中，实现共享容易得多，只需在每个进程的段表中为文本编辑程序设置一个段表项。

![图示][SouthEast 11]

# 分页与分段的主要区别 #

*  页是信息的物理单位，分页仅仅是由于系统管理的需要，对用户透明的。段是信息的逻辑单位，分段的目的是为了能更好的满足用户的需要。
 *  页的大小固定且由系统确定，把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分。段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序。
 *  分页的作业地址空间是一维的，分段的作业地址空间是二维的。
 *  页和段都有存储保护机制。但存取权限不同：段有读、写和执行三种权限；而页只有读和写两种权限。

![图示][SouthEast 12]

二者优点的结合：段页式存储管理

# 段页式存储管理的基本原理 #

*  段页式存储管理是分段和分页原理的结合，即先将用户程序分成若干个段（段式） ，并为每一个段赋一个段名，再把每个段分成若干个页（页式） 。
 *  其地址结构由段号、段内页号、及页内位移三部分所组成。

![图示][SouthEast 13]

*  系统中设段表和页表，均存放于内存中。读一字节的指令或数据须访问内存三次。为提高执行速度可增设高速缓冲寄存器。
 *  每个进程一张段表，每个段一张页表。
 *  段表含段号、页表始址和页表长度。页表含页号和块号。

# 利用段表和页表实现地址映射 #

![图示][SouthEast 14]

# 段页式存储管理的地址变换 #

*  从 PCB 中取出段表始址和段表长度，装入段表寄存器。
 *  将段号与段表长度进行比较，若段号大于或等于段表长度，产生越界中断。
 *  利用段表始址与段号得到该段表项在段表中的位置。取出该段的页表始址和页表长度。
 *  将页号与页表长度进行比较，若页号大于或等于页表长度，产生越界中断。
 *  利用页表始址与页号得到该页表项在页表中的位置。
 *  取出该页的物理块号，与页内地址拼接得到实际的物理地址。

![图示][SouthEast 15]

[SouthEast]: /images/20220714/ebe52d31e24d49a383b536ed58b68136.png
[SouthEast 1]: /images/20220714/cdf7fb33b8ef48859c0686410b90075b.png
[SouthEast 2]: /images/20220714/fbf799ba8d1a4eeba00dc584c38ab2fd.png
[SouthEast 3]: /images/20220714/10f827810c4e4efcb363e83a47361cfc.png
[SouthEast 4]: /images/20220714/d00935d7a4ab4b719ed8c26cf072ffc0.png
[SouthEast 5]: /images/20220714/8e14c76d2c9c45148003e400c487317b.png
[SouthEast 6]: /images/20220714/f3a6898508fd49699a2aba75adfbede9.png
[SouthEast 7]: /images/20220714/18095ed2bac04489aae3d4b86e3d07f3.png
[SouthEast 8]: /images/20220714/c10a49b31a7a4a8c9eddf914fede2c6c.png
[SouthEast 9]: /images/20220714/712fe5659b0a487d8910ddeaf3205cd1.png
[SouthEast 10]: /images/20220714/8aaabac8f757471c83324c7c006c1b53.png
[SouthEast 11]: /images/20220714/8bf82d521e2b4e33bc04ed1183adc7d2.png
[SouthEast 12]: /images/20220714/0b3db2b7b854457e8e4a664e09e5f205.png
[SouthEast 13]: /images/20220714/6fbfee012bde4f83af11772557eab5f1.png
[SouthEast 14]: /images/20220714/b073a227034d4b9eb0e5bf28a4d38814.png
[SouthEast 15]: /images/20220714/2bf6ec71fbf34191afc5b65ad30e7b58.png