操作系统原理学习笔记（二十三）-分段存储管理方式

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后续的内容会停一阵了，要考试了。
操作系统，全是大题，开卷考，笑。

分段存储管理方式的引入

• 方便编程
  • 将作业按逻辑分为若干段，每段从0开始编址。
  • 逻辑地址由段名和段内偏移量（段内地址）决定。
• 信息共享
  • 分页方式的页只是存放信息的物理块，没有完整逻辑意义。
  • 段可以是信息的逻辑单位，因此在调用一个共享信息时，只需要调用一段，而不需要调用多页。
• 信息保护
  • 与信息共享一样，可以对一段逻辑完整的信息进行权限管理。
• 动态增长
  • 分段存储管理方式能较好解决这一问题。
• 动态链接
  • 将一段逻辑完整的信息作为链接的基本单位。

分段系统的基本原理

• 分段
  • 将作业的地址空间划分成若干段，每段定义一组逻辑信息。
    • 如主程序段MAIN，子程序段X，数据段D，栈段S等。
  • 段号可作为段名，每段从0开始编址，使用一段连续的地址空间。
  • 若分段地址中，段号16位，段内地址16位，则一个作业最长有64K个段，每段最长64KB。
  • 许多编译程序支持分段方式，并自动地根据源程序产生若干段。
• 段表
  • 进程中每个段离散装入内存中不同分区中。
  • 为每个进程建立一张段映射表，简称“段表”。
  • 每个段在段表中占一个表项，记录段在内存中的起始地址（基址）和段的长度。
  • 段表可以存放在一组寄存器中，但更经常放在内存中。
  • 段表实现了逻辑段到物理内存区的映射。
• 地址变换机构
  • 为实现逻辑地址到物理地址的变换功能，OS设置一个段表寄存器，用于存放段表始址和段表长度TL。
    1. 变换时，先将段号S与段表长度TL比较，若S>TL，段号太大，越界，产生越界中断信号。
    2. 若未越界，根据始址与段号计算该段在段表项的位置，并读出该段在内存中的起始地址。
    3. 再检查段内地址d是否超过该段段长SL，若超过，越界，产生越界中断信号。
    4. 若未越界，将基址d与段内地址相加，得到内存物理地址。
  • 与分页系统类似，访问一个数据要访问两次内存，因此也增设一个联想存储器。
    • 段比页大，因此段表项的数目比页表少，所需存储器也更小，效率提升约10%~15%。
• 分页和分段的主要区别
  • 页是信息的物理单位，段是信息的逻辑单位。
    • 采用分页存储管理方式仅是为了OS方便管理内存，对用户不可见。
    • 分段的目的主要在于更好满足用户的需求。
  • 页的大小固定且由系统决定。段的长度取决于用户编写的程序。
    • 页由硬件直接实现，将逻辑地址分成页号和页内地址，每个系统只能有一种大小的页面。
    • 段的大小由编译程序根据信息的性质决定。

信息共享

• 在下面的例子中，都有一个文本编辑程序，有160KB的代码以及40KB数据。
  • 假设160KB代码是可重入(Reentrant)的，那么无论在分页还是分段系统中都可被共享，仅需在内存中保留一段该程序的副本即可。
  • 可重入代码(Reentrant Code)又称为纯代码(Pure Code)，是一种允许多个进程同时访问的代码，运行时代码不会有任何改变。
  • 大多代码在执行时均会改变，为了使它可重入，需要设立局部数据区，解决代码变更的问题。
• 分页系统中对程序和数据的共享
  • 分页系统只需要为40KB的数据区分配独立空间。
  • 即内存需求为160+40*40=1760KB。
  • 若每个页面大小为4KB，则每个进程首先需要为160KB的数据建立页表项，需要40个，每个进程的这40个页表项内容一致。
  • 而后，为40KB数据建立10个页表项，每个进程的这10个页表项均不同。
  • 即，每个进程需要50个页表。
• 分段系统中对程序和数据的共享
  • 每个进程共用160KB，设立一个段表项。
  • 每个进程独立40KB，设立一个段表项。
  • 即，每个进程需要2个段表。

段页式存储管理方式

• 优点
  • 便于实现，分段可共享，易于保护，可动态链接等。
• 基本原理
  • 先将用户程序分段，再对每段分页。
  • 段页式系统中，地址结构由段号，段内页号，页内地址组成。
  • 段页式系统需要同时配置段表和页表。
  • 段表中内容与分段系统不同，变成了页表始址与页表长度（原来是内存始址和段长）。
• 地址变换过程
  • 先设置一个段表寄存器，存放段表始址和段长TL。
    1. 首先比较段号S与段长TL，若S>TL，则越界，产生越界中断信号。
    2. 若未越界，则根据段表始址与段号求出该段在段表中位置，取出页表地址。
    3. 并利用段内页号P来获得对应页的页表项位置，从中读出该页所在物理块号b。
    4. 由物理块号b与页内地址构成物理地址。
  • 段页式系统为了获得一次数据，需要访问三次内存。
    • 第一次访问内存中段表，取出页表地址。
    • 第二次访问内存中页表，取出物理块号。
    • 第三次根据页表地址与物理块号组成的物理地址，从内存中取数据。
  • 为了提高执行速度，因此也需增设高速缓冲寄存器。