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4.1 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)
　　在計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，幾乎每一條指令都涉及對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，因此要求對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度能跟
得上處理機(jī)的運(yùn)行速度。或者說(shuō)，存儲(chǔ)器的速度必須非常快，能與處理機(jī)的速度相匹配，否則會(huì)明
顯地影響到處理機(jī)的運(yùn)行。此外還要求存儲(chǔ)器具有非常大的容量，而且存儲(chǔ)器的價(jià)格還應(yīng)很便宜。
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4.1.1 多層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)
　　1. 存儲(chǔ)器的多層結(jié)構(gòu)
　 對(duì)于通用計(jì)算機(jī)而言，存儲(chǔ)層次至少應(yīng)具有三級(jí)：最高層為CPU寄存器，中間為主存，最底
層是輔存。在較高檔的計(jì)算機(jī)中，還可以根據(jù)具體的功能細(xì)分為寄存器、高速緩存、主存儲(chǔ)器、磁
盤緩存、固定磁盤、可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)等6層。如圖4-1所示。
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圖4-1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)層次示意
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　　2. 可執(zhí)行存儲(chǔ)器
　　在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)層次中，寄存器和主存儲(chǔ)器又被稱為可執(zhí)行存儲(chǔ)器。對(duì)于存放于其中的信
息，與存放于輔存中的信息相比較而言，計(jì)算機(jī)所采用的訪問(wèn)機(jī)制是不同的，所需耗費(fèi)的時(shí)間也是
不同的。進(jìn)程可以在很少的時(shí)鐘周期內(nèi)使用一條load或store指令對(duì)可執(zhí)行存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)。但對(duì)輔
存的訪問(wèn)則需要通過(guò)I/O設(shè)備實(shí)現(xiàn)，因此，在訪問(wèn)中將涉及到中斷、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及物理設(shè)備的運(yùn)
行，所需耗費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于訪問(wèn)可執(zhí)行存儲(chǔ)器的時(shí)間，一般相差3個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更多。
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4.1.2 主存儲(chǔ)器與寄存器
　　1. 主存儲(chǔ)器
　　主存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱內(nèi)存或主存，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主要部件，用于保存進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，
也稱可執(zhí)行存儲(chǔ)器。
　　2. 寄存器
　　寄存器具有與處理機(jī)相同的速度，故對(duì)寄存器的訪問(wèn)速度最快，完全能與CPU協(xié)調(diào)工作，但價(jià)
格卻十分昂貴，因此容量不可能做得很大。
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4.1.3 高速緩存和磁盤緩存
　　1. 高速緩存
　　高速緩存是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要部件，它是介于寄存器和存儲(chǔ)器之間的存儲(chǔ)器，主要
用于備份主存中較常用的數(shù)據(jù)，以減少處理機(jī)對(duì)主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)次數(shù)，這樣可大幅度地提高程序執(zhí)
行速度。高速緩存容量遠(yuǎn)大于寄存器，而比內(nèi)存約小兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)左右，從幾十KB到幾MB，訪
問(wèn)速度快于主存儲(chǔ)器。
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　　2. 磁盤緩存
　　由于目前磁盤的I/O速度遠(yuǎn)低于對(duì)主存的訪問(wèn)速度，為了緩和兩者之間在速度上的不匹配，而設(shè)
置了磁盤緩存，主要用于暫時(shí)存放頻繁使用的一部分磁盤數(shù)據(jù)和信息，以減少訪問(wèn)磁盤的次數(shù)。但
磁盤緩存與高速緩存不同，它本身并不是一種實(shí)際存在的存儲(chǔ)器，而是利用主存中的部分存儲(chǔ)空間
暫時(shí)存放從磁盤中讀出(或?qū)懭?的信息。主存也可以看作是輔存的高速緩存，因?yàn)椋o存中的數(shù)據(jù)必
須復(fù)制到主存方能使用，反之，數(shù)據(jù)也必須先存在主存中，才能輸出到輔存。
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　　　　4.2 程序的裝入和鏈接
　　用戶程序要在系統(tǒng)中運(yùn)行，必須先將它裝入內(nèi)存，然后再將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)可以執(zhí)行的程序，通
常都要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：
　　(1) 編譯，由編譯程序(Compiler)對(duì)用戶源程序進(jìn)行編譯，形成若干個(gè)目標(biāo)模塊(Object
Module)；
　　(2) 鏈接，由鏈接程序(Linker)將編譯后形成的一組目標(biāo)模塊以及它們所需要的庫(kù)函數(shù)鏈接在一
起，形成一個(gè)完整的裝入模塊(Load Module)；
　　(3) 裝入，由裝入程序(Loader)將裝入模塊裝入內(nèi)存。
　　圖4-2示出了這樣的三步過(guò)程。本節(jié)將扼要闡述程序(含數(shù)據(jù))的鏈接和裝入過(guò)程。
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圖4-2　對(duì)用戶程序的處理步驟
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4.2.1 程序的裝入
　　為了闡述上的方便，我們先介紹一個(gè)無(wú)需進(jìn)行鏈接的單個(gè)目標(biāo)模塊的裝入過(guò)程。該目標(biāo)模塊也
就是裝入模塊。在將一個(gè)裝入模塊裝入內(nèi)存時(shí)，可以有如下三種裝入方式：
　　1. 絕對(duì)裝入方式(Absolute Loading Mode)
　　當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)很小，且僅能運(yùn)行單道程序時(shí)，完全有可能知道程序?qū)Ⅰv留在內(nèi)存的什么位置。
此時(shí)可以采用絕對(duì)裝入方式。用戶程序經(jīng)編譯后，將產(chǎn)生絕對(duì)地址(即物理地址)的目標(biāo)代碼。
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　　2. 可重定位裝入方式(Relocation Loading Mode)
　　絕對(duì)裝入方式只能將目標(biāo)模塊裝入到內(nèi)存中事先指定的位置，這只適用于單道程序環(huán)境。而在
多道程序環(huán)境下，編譯程序不可能預(yù)知經(jīng)編譯后所得到的目標(biāo)模塊應(yīng)放在內(nèi)存的何處。因此，對(duì)于
用戶程序編譯所形成的若干個(gè)目標(biāo)模塊，它們的起始地址通常都是從0開(kāi)始的，程序中的其它地址也
都是相對(duì)于起始地址計(jì)算的。
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圖4-3　作業(yè)裝入內(nèi)存時(shí)的情況
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　　3. 動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的裝入方式(Dynamic Run-time Loading)
　　可重定位裝入方式可將裝入模塊裝入到內(nèi)存中任何允許的位置，故可用于多道程序環(huán)境。但該
方式并不允許程序運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存中移動(dòng)位置。
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4.2.2 程序的鏈接
　　1. 靜態(tài)鏈接(Static Linking)方式
　　在程序運(yùn)行之前，先將各目標(biāo)模塊及它們所需的庫(kù)函數(shù)鏈接成一個(gè)完整的裝配模塊，以后不再
拆開(kāi)。在圖4-4(a)中示出了經(jīng)過(guò)編譯后所得到的三個(gè)目標(biāo)模塊A、B、C，它們的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)、M和
N。在模塊A中有一條語(yǔ)句CALL B，用于調(diào)用模塊B。在模塊B中有一條語(yǔ)句CALL C，用于調(diào)用模
塊C。B和C都屬于外部調(diào)用符號(hào)，在將這幾個(gè)目標(biāo)模塊裝配成一個(gè)裝入模塊時(shí)，須解決以下兩個(gè)問(wèn)
題：
　　(1) 對(duì)相對(duì)地址進(jìn)行修改。
　　(2) 變換外部調(diào)用符號(hào)。
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圖4-4　程序鏈接示意圖
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　　2. 裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接(Load-time Dynamic Linking)
　　這是指將用戶源程序編譯后所得到的一組目標(biāo)模塊，在裝入內(nèi)存時(shí)，采用邊裝入邊鏈接的鏈接
方式。即在裝入一個(gè)目標(biāo)模塊時(shí)，若發(fā)生一個(gè)外部模塊調(diào)用事件，將引起裝入程序去找出相應(yīng)的外
部目標(biāo)模塊，并將它裝入內(nèi)存，還要按照?qǐng)D4-4所示的方式修改目標(biāo)模塊中的相對(duì)地址。裝入時(shí)動(dòng)態(tài)
鏈接方式有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1) 便于修改和更新。
　　(2) 便于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)模塊的共享。
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　　3. 運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接(Run-time Dynamic Linking)
　　在許多情況下，應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)，每次要運(yùn)行的模塊可能是不相同的。但由于事先無(wú)法知道
本次要運(yùn)行哪些模塊，故只能是將所有可能要運(yùn)行到的模塊全部都裝入內(nèi)存，并在裝入時(shí)全部鏈接
在一起。顯然這是低效的，因?yàn)橥鶗?huì)有部分目標(biāo)模塊根本就不運(yùn)行。比較典型的例子是作為錯(cuò)誤
處理用的目標(biāo)模塊，如果程序在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中都不出現(xiàn)錯(cuò)誤，則顯然就不會(huì)用到該模塊。
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　　　4.3 連續(xù)分配存儲(chǔ)管理方式
4.3.1 單一連續(xù)分配
　　在單道程序環(huán)境下，當(dāng)時(shí)的存儲(chǔ)器管理方式是把內(nèi)存分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)兩部分，系統(tǒng)區(qū)僅提
供給OS使用，它通常是放在內(nèi)存的低址部分。而在用戶區(qū)內(nèi)存中，僅裝有一道用戶程序，即整個(gè)內(nèi)
存的用戶空間由該程序獨(dú)占。這樣的存儲(chǔ)器分配方式被稱為單一連續(xù)分配方式。
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4.3.2 固定分區(qū)分配
　　1. 劃分分區(qū)的方法
　　可用下述兩種方法將內(nèi)存的用戶空間劃分為若干個(gè)固定大小的分區(qū)：
　　(1) 分區(qū)大小相等(指所有的內(nèi)存分區(qū)大小相等)。
　　(2) 分區(qū)大小不等。
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　　2. 內(nèi)存分配
　　為了便于內(nèi)存分配，通常將分區(qū)按其大小進(jìn)行排隊(duì)，并為之建立一張分區(qū)使用表，其中各表項(xiàng)
包括每個(gè)分區(qū)的起始地址、大小及狀態(tài)(是否已分配)，如圖4-5所示。
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圖4-5 固定分區(qū)使用表
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4.3.3 動(dòng)態(tài)分區(qū)分配
　　1. 動(dòng)態(tài)分區(qū)分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有以下兩種形式：① 空閑分區(qū)表，在系統(tǒng)中設(shè)置一張空閑分區(qū)表，用于記錄每
個(gè)空閑分區(qū)的情況。每個(gè)空閑分區(qū)占一個(gè)表目，表目中包括分區(qū)號(hào)、分區(qū)大小和分區(qū)始址等數(shù)據(jù)項(xiàng)，
如圖4-6所示。② 空閑分區(qū)鏈。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)空閑分區(qū)的分配和鏈接，在每個(gè)分區(qū)的起始部分設(shè)置一
些用于控制分區(qū)分配的信息，以及用于鏈接各分區(qū)所用的前向指針，在分區(qū)尾部則設(shè)置一后向指針。
通過(guò)前、后向鏈接指針，可將所有的空閑分區(qū)鏈接成一個(gè)雙向鏈，如圖4-7所示。
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圖4-6 空閑分區(qū)表
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圖4-7 空閑鏈結(jié)構(gòu)
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　　2. 動(dòng)態(tài)分區(qū)分配算法
　　為把一個(gè)新作業(yè)裝入內(nèi)存，須按照一定的分配算法，從空閑分區(qū)表或空閑分區(qū)鏈中選出一分區(qū)
分配給該作業(yè)。由于內(nèi)存分配算法對(duì)系統(tǒng)性能有很大的影響，故人們對(duì)它進(jìn)行了較為廣泛而深入的
研究，于是產(chǎn)生了許多動(dòng)態(tài)分區(qū)分配算法。
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　　3. 分區(qū)分配操作
　　1) 分配內(nèi)存
　　系統(tǒng)應(yīng)利用某種分配算法，從空閑分區(qū)鏈(表)中找到所需大小的分區(qū)。設(shè)請(qǐng)求的分區(qū)大小為
u.size，表中每個(gè)空閑分區(qū)的大小可表示為m.size。
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　　2) 回收內(nèi)存
　　當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行完畢釋放內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)回收區(qū)的首址，從空閑區(qū)鏈(表)中找到相應(yīng)的插入點(diǎn)，此
時(shí)可能出現(xiàn)以下四種情況之一：
　　(1) 回收區(qū)與插入點(diǎn)的前一個(gè)空閑分區(qū)F1相鄰接，見(jiàn)圖4-9(a)。此時(shí)應(yīng)將回收區(qū)與插入點(diǎn)的前一
分區(qū)合并，不必為回收分區(qū)分配新表項(xiàng)，而只需修改其前一分區(qū)F1的大小。
　　(2) 回收分區(qū)與插入點(diǎn)的后一空閑分區(qū)F2相鄰接，見(jiàn)圖
4-9(b)。此時(shí)也可將兩分區(qū)合并，形成新的空閑分區(qū)，但用回收區(qū)的首址作為新空閑區(qū)的首址，大小
為兩者之和。
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　　(3) 回收區(qū)同時(shí)與插入點(diǎn)的前、后兩個(gè)分區(qū)鄰接，見(jiàn)圖
4-9(c)。此時(shí)將三個(gè)分區(qū)合并，使用F1的表項(xiàng)和F1的首址，取消F2的表項(xiàng)，大小為三者之和。
　　(4) 回收區(qū)既不與F1鄰接，又不與F2鄰接。這時(shí)應(yīng)為回收區(qū)單獨(dú)建立一個(gè)新表項(xiàng)，填寫(xiě)回收區(qū)
的首址和大小，并根據(jù)其首址插入到空閑鏈中的適當(dāng)位置。圖4-10示出了內(nèi)存回收時(shí)的流程。
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圖4-9 內(nèi)存回收時(shí)的情況
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　　　　　4.4 對(duì)換(Swapping)
　　對(duì)換技術(shù)也稱為交換技術(shù)，最早用于麻省理工學(xué)院的單用戶分時(shí)系統(tǒng)CTSS中。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)
的內(nèi)存都非常小，為了使該系統(tǒng)能分時(shí)運(yùn)行多個(gè)用戶程序而引入了對(duì)換技術(shù)。系統(tǒng)把所有的用戶作
業(yè)存放在磁盤上，每次只能調(diào)入一個(gè)作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，當(dāng)該作業(yè)的一個(gè)時(shí)間片用完時(shí)，將它調(diào)至外存
的后備隊(duì)列上等待，再?gòu)暮髠潢?duì)列上將另一個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。這就是最早出現(xiàn)的分時(shí)系統(tǒng)中所用的
對(duì)換技術(shù)。現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。
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4.4.1 多道程序環(huán)境下的對(duì)換技術(shù)
　　1. 對(duì)換的引入
　　在多道程序環(huán)境下，一方面，在內(nèi)存中的某些進(jìn)程由于某事件尚未發(fā)生而被阻塞運(yùn)行，但它卻
占用了大量的內(nèi)存空間，甚至有時(shí)可能出現(xiàn)在內(nèi)存中所有進(jìn)程都被阻塞，而無(wú)可運(yùn)行之進(jìn)程，迫使
CPU停止下來(lái)等待的情況；另一方面，卻又有著許多作業(yè)，因內(nèi)存空間不足，一直駐留在外存上，
而不能進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行。顯然這對(duì)系統(tǒng)資源是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)，且使系統(tǒng)吞吐量下降。
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　　2. 對(duì)換的類型
　　在每次對(duì)換時(shí)，都是將一定數(shù)量的程序或數(shù)據(jù)換入或換出內(nèi)存。根據(jù)每次對(duì)換時(shí)所對(duì)換的數(shù)量，
可將對(duì)換分為如下兩類：
　　(1) 整體對(duì)換。
　　(2) 頁(yè)面(分段)對(duì)換。
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4.4.3 進(jìn)程的換出與換入
　　1. 進(jìn)程的換出
　　對(duì)換進(jìn)程在實(shí)現(xiàn)進(jìn)程換出時(shí)，是將內(nèi)存中的某些進(jìn)程調(diào)出至對(duì)換區(qū)，以便騰出內(nèi)存空間。換出
過(guò)程可分為以下兩步：
　　(1) 選擇被換出的進(jìn)程。
　　(2) 進(jìn)程換出過(guò)程。
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　　2. 進(jìn)程的換入
　　對(duì)換進(jìn)程將定時(shí)執(zhí)行換入操作，它首先查看PCB集合中所有進(jìn)程的狀態(tài)，從中找出“就緒”狀
態(tài)但已換出的進(jìn)程。當(dāng)有許多這樣的進(jìn)程時(shí)，它將選擇其中已換出到磁盤上時(shí)間最久(必須大于規(guī)定
時(shí)間，如2 s)的進(jìn)程作為換入進(jìn)程，為它申請(qǐng)內(nèi)存。如果申請(qǐng)成功，可直接將進(jìn)程從外存調(diào)入內(nèi)存；
如果失敗，則需先將內(nèi)存中的某些進(jìn)程換出，騰出足夠的內(nèi)存空間后，再將進(jìn)程調(diào)入。
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　　　　4.5 分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式
　　(1) 分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式。
　　(2) 分段存儲(chǔ)管理方式。
　　(3) 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式。
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4.5.1 分頁(yè)存儲(chǔ)管理的基本方法
　　1. 頁(yè)面和物理塊
　　(1) 頁(yè)面。
　　(2) 頁(yè)面大小。
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　　2. 地址結(jié)構(gòu)
　　分頁(yè)地址中的地址結(jié)構(gòu)如下：
31 12 11 0
頁(yè)號(hào) P 位移量 W
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對(duì)某特定機(jī)器，其地址結(jié)構(gòu)是一定的。若給定一個(gè)邏輯地址空間中的地址為A，頁(yè)面的大小為L(zhǎng)，則
頁(yè)號(hào)P和頁(yè)內(nèi)地址d可按下式求得：
P INT A L
， d = [A] MOD L

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　　3. 頁(yè)表
　　在分頁(yè)系統(tǒng)中，允許將進(jìn)程的各個(gè)頁(yè)離散地存儲(chǔ)在內(nèi)存的任一物理塊中，為保證進(jìn)程仍然能夠
正確地運(yùn)行，即能在內(nèi)存中找到每個(gè)頁(yè)面所對(duì)應(yīng)的物理塊，系統(tǒng)又為每個(gè)進(jìn)程建立了一張頁(yè)面映像
表，簡(jiǎn)稱頁(yè)表。
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圖4-14 頁(yè)表的作用
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4.5.2 地址變換機(jī)構(gòu)
　　1. 基本的地址變換機(jī)構(gòu)
　　進(jìn)程在運(yùn)行期間，需要對(duì)程序和數(shù)據(jù)的地址進(jìn)行變換，即將用戶地址空間中的邏輯地址變換為
內(nèi)存空間中的物理地址，由于它執(zhí)行的頻率非常高，每條指令的地址都需要進(jìn)行變換，因此需要采
用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。頁(yè)表功能是由一組專門的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)用一個(gè)寄存器。
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圖4-15 分頁(yè)系統(tǒng)的地址變換機(jī)構(gòu)
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　　2. 具有快表的地址變換機(jī)構(gòu)
　　由于頁(yè)表是存放在內(nèi)存中的，這使CPU在每存取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，都要兩次訪問(wèn)內(nèi)存。第一次是訪
問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表，從中找到指定頁(yè)的物理塊號(hào)，再將塊號(hào)與頁(yè)內(nèi)偏移量W拼接，以形成物理地址。
第二次訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，才是從第一次所得地址中獲得所需數(shù)據(jù)(或向此地址中寫(xiě)入數(shù)據(jù))。因此，采用這
種方式將使計(jì)算機(jī)的處理速度降低近1/2。可見(jiàn)，以此高昂代價(jià)來(lái)?yè)Q取存儲(chǔ)器空間利用率的提高，是
得不償失的。
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圖4-16 具有快表的地址變換機(jī)構(gòu)
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4.5.3 訪問(wèn)內(nèi)存的有效時(shí)間
　　從進(jìn)程發(fā)出指定邏輯地址的訪問(wèn)請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)地址變換，到在內(nèi)存中找到對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理地址單
元并取出數(shù)據(jù)，所需要花費(fèi)的總時(shí)間，稱為內(nèi)存的有效訪問(wèn)時(shí)間(Effective Access Time，EAT)。
假設(shè)訪問(wèn)一次內(nèi)存的時(shí)間為t，在基本分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式中，有效訪問(wèn)時(shí)間分為第一次訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)間
(即查找頁(yè)表對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)所耗費(fèi)的時(shí)間t)與第二次訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)間(即將頁(yè)表項(xiàng)中的物理塊號(hào)與頁(yè)內(nèi)地
址拼接成實(shí)際物理地址所耗費(fèi)的時(shí)間t)之和：
EAT = t + t = 2t
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　　在引入快表的分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式中，通過(guò)快表查詢，可以直接得到邏輯頁(yè)所對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)，
由此拼接形成實(shí)際物理地址，減少了一次內(nèi)存訪問(wèn)，縮短了進(jìn)程訪問(wèn)內(nèi)存的有效時(shí)間。但是，由于
快表的容量限制，不可能將一個(gè)進(jìn)程的整個(gè)頁(yè)表全部裝入快表，所以在快表中查找到所需表項(xiàng)存在
著命中率的問(wèn)題。所謂命中率，是指使用快表并在其中成功查找到所需頁(yè)面的表項(xiàng)的比率。這樣，
在引入快表的分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式中，有效訪問(wèn)時(shí)間的計(jì)算公式即為：
EAT=а×λ+(t+λ)(1—а)+t=2t+λ—t×а
上式中，λ表示查找快表所需要的時(shí)間，а表示命中率，t表示訪問(wèn)一次內(nèi)存所需要的時(shí)間。
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　　可見(jiàn)，引入快表后的內(nèi)存有效訪問(wèn)時(shí)間分為查找到邏輯頁(yè)對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)的平均時(shí)間
а × λ + (t + λ)(1 - а)，以及對(duì)應(yīng)實(shí)際物理地址的內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)間t。假設(shè)對(duì)快表的訪問(wèn)時(shí)間λ為
20 ns(納秒)，對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)時(shí)間t為100 ns，則下表中列出了不同的命中率а與有效訪問(wèn)時(shí)間的關(guān)系：
命中率 (%) 有效訪問(wèn)時(shí)間
а EAT
0 220
50 170
80 140
90 130
98 122
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4.5.4 兩級(jí)和多級(jí)頁(yè)表
　　1. 兩級(jí)頁(yè)表(Two-Level Page Table)
　　針對(duì)難于找到大的連續(xù)的內(nèi)存空間來(lái)存放頁(yè)表的問(wèn)題，可利用將頁(yè)表進(jìn)行分頁(yè)的方法，使每個(gè)
頁(yè)面的大小與內(nèi)存物理塊的大小相同，并為它們進(jìn)行編號(hào)，即依次為0# 頁(yè)、1# 頁(yè)，…，n# 頁(yè)，然
后離散地將各個(gè)頁(yè)面分別存放在不同的物理塊中。同樣，也要為離散分配的頁(yè)表再建立一張頁(yè)表，
稱為外層頁(yè)表(Outer Page Table)，在每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)中記錄了頁(yè)表頁(yè)面的物理塊號(hào)。
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圖4-17　兩級(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)
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　　為了方便實(shí)現(xiàn)地址變換，在地址變換機(jī)構(gòu)中，同樣需要增設(shè)一個(gè)外層頁(yè)表寄存器，用于存放外
層頁(yè)表的始址，并利用邏輯地址中的外層頁(yè)號(hào)作為外層頁(yè)表的索引，從中找到指定頁(yè)表分頁(yè)的始址，
再利用P2作為指定頁(yè)表分頁(yè)的索引，找到指定的頁(yè)表項(xiàng)，其中即含有該頁(yè)在內(nèi)存的物理塊號(hào)，用該
塊號(hào)P和頁(yè)內(nèi)地址d即可構(gòu)成訪問(wèn)的內(nèi)存物理地址。圖4-18示出了兩級(jí)頁(yè)表時(shí)的地址變換機(jī)構(gòu)。
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圖4-18　具有兩級(jí)頁(yè)表的地址變換機(jī)構(gòu)
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　　2. 多級(jí)頁(yè)表
　　對(duì)于32位的機(jī)器，采用兩級(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)是合適的，但對(duì)于64位的機(jī)器，采用兩級(jí)頁(yè)表是否仍然合
適，須做以下簡(jiǎn)單分析。如果頁(yè)面大小仍采用4 KB即212 B，那么還剩下52位，假定仍按物理塊的
大小(212位)來(lái)劃分頁(yè)表，則將余下的42位用于外層頁(yè)號(hào)。此時(shí)在外層頁(yè)表中可能有4096 G個(gè)頁(yè)表
項(xiàng)，要占用16 384 GB的連續(xù)內(nèi)存空間。
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　　　4.6 分段存儲(chǔ)管理方式
　　存儲(chǔ)管理方式隨著OS的發(fā)展也在不斷地發(fā)展。當(dāng)OS由單道向多道發(fā)展時(shí)，存儲(chǔ)管理方式便由單
一連續(xù)分配發(fā)展為固定分區(qū)分配。
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4.6.1 分段存儲(chǔ)管理方式的引入
　　1. 方便編程
　　通常，用戶把自己的作業(yè)按照邏輯關(guān)系劃分為若干個(gè)段，每個(gè)段都從0開(kāi)始編址，并有自己的名
字和長(zhǎng)度。因此，程序員們都迫切地需要訪問(wèn)的邏輯地址是由段名(段號(hào))和段內(nèi)偏移量(段內(nèi)地址)決
定的，這不僅可以方便程序員編程，也可使程序非常直觀，更具可讀性。例如，下述的兩條指令便
使用段名和段內(nèi)地址：
　　　 LOAD 1，[A] |〈D〉；
　　　 STORE 1，[B] |〈C〉；
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　　2. 信息共享
　　在實(shí)現(xiàn)對(duì)程序和數(shù)據(jù)的共享時(shí)，是以信息的邏輯單位為基礎(chǔ)的。比如，為了共享某個(gè)過(guò)程、函
數(shù)或文件。分頁(yè)系統(tǒng)中的“頁(yè)”只是存放信息的物理單位(塊)，并無(wú)完整的邏輯意義，這樣，一個(gè)可
被共享的過(guò)程往往可能需要占用數(shù)十個(gè)頁(yè)面，這為實(shí)現(xiàn)共享增加了困難。
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　　3. 信息保護(hù)
　　信息保護(hù)同樣是以信息的邏輯單位為基礎(chǔ)的，而且經(jīng)常是以一個(gè)過(guò)程、函數(shù)或文件為基本單位
進(jìn)行保護(hù)的。
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4.6.2 分段系統(tǒng)的基本原理
　　1. 分段
　　在分段存儲(chǔ)管理方式中，作業(yè)的地址空間被劃分為若干個(gè)段，每個(gè)段定義了一組邏輯信息。例
如，有主程序段MAIN、子程序段X、數(shù)據(jù)段D及棧段S等，如圖4-19所示。
　　分段地址中的地址具有如下結(jié)構(gòu)：
段號(hào) 段內(nèi)地址
31 16 15 0
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　　2. 段表
　　在前面所介紹的動(dòng)態(tài)分區(qū)分配方式中，系統(tǒng)為整個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間。而在分段式
存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，則是為每個(gè)分段分配一個(gè)連續(xù)的分區(qū)。進(jìn)程中的各個(gè)段，可以離散地裝入內(nèi)存中
不同的分區(qū)中。為保證程序能正常運(yùn)行，就必須能從物理內(nèi)存中找出每個(gè)邏輯段所對(duì)應(yīng)的位置。
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圖4-19 利用段表實(shí)現(xiàn)地址映射
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3. 地址變換機(jī)構(gòu)
　　為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程從邏輯地址到物理地址的變換功能，在系統(tǒng)中設(shè)置了段表寄存器，用于存放段表
始址和段表長(zhǎng)度TL。在進(jìn)行地址變換時(shí)，系統(tǒng)將邏輯地址中的段號(hào)與段表長(zhǎng)度TL進(jìn)行比較。若S>TL，
表示段號(hào)太大，是訪問(wèn)越界，于是產(chǎn)生越界中斷信號(hào)。若未越界，則根據(jù)段表的始址和該段的段號(hào)，
計(jì)算出該段對(duì)應(yīng)段表項(xiàng)的位置，從中讀出該段在內(nèi)存的起始地址。然后，再檢查段內(nèi)地址d是否超過(guò)
該段的段長(zhǎng)SL。若超過(guò)，即d>SL，同樣發(fā)出越界中斷信號(hào)。若未越界，則將該段的基址d與段內(nèi)地
址相加，即可得到要訪問(wèn)的內(nèi)存物理地址。圖4-20示出了分段系統(tǒng)的地址變換過(guò)程。
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圖4-20 分段系統(tǒng)的地址變換過(guò)程
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　　4. 分頁(yè)和分段的主要區(qū)別
　　(1) 頁(yè)是信息的物理單位。
　　(2) 頁(yè)的大小固定且由系統(tǒng)決定。
　　(3) 分頁(yè)的用戶程序地址空間是一維的。
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　　2. 分段系統(tǒng)中程序和數(shù)據(jù)的共享
　　在分段系統(tǒng)中，由于是以段為基本單位的，不管該段有多大，我們都只需為該段設(shè)置一個(gè)段表
項(xiàng)，因此使實(shí)現(xiàn)共享變得非常容易。我們?nèi)砸怨蚕韊ditor為例，此時(shí)只需在(每個(gè))進(jìn)程1和進(jìn)程2的段
表中，為文本編輯程序設(shè)置一個(gè)段表項(xiàng)，讓段表項(xiàng)中的基址(80)指向editor程序在內(nèi)存的起始地址。
圖4-22是分段系統(tǒng)中共享editor的示意圖。
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4.6.4 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式
　　1. 基本原理
　　段頁(yè)式系統(tǒng)的基本原理是分段和分頁(yè)原理的結(jié)合，即先將用戶程序分成若干個(gè)段，再把每個(gè)段
分成若干個(gè)頁(yè)，并為每一個(gè)段賦予一個(gè)段名。圖4-23(a)示出了一個(gè)作業(yè)地址空間的結(jié)構(gòu)。該作業(yè)有
三個(gè)段：主程序段、子程序段和數(shù)據(jù)段；頁(yè)面大小為 4 KB。在段頁(yè)式系統(tǒng)中，其地址結(jié)構(gòu)由段號(hào)、
段內(nèi)頁(yè)號(hào)及頁(yè)內(nèi)地址三部分所組成，如圖4-23(b)所示。
圖4-23 作業(yè)地址空間和地址結(jié)構(gòu)
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　　在段頁(yè)式系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的變換，系統(tǒng)中需要同時(shí)配置段表和頁(yè)表。
段表的內(nèi)容與分段系統(tǒng)略有不同，它不再是內(nèi)存始址和段長(zhǎng)，而是頁(yè)表始址和頁(yè)表長(zhǎng)度。圖4-24示
出了利用段表和頁(yè)表進(jìn)行從用戶地址空間到物理(內(nèi)存)空間的映射。
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圖4-24 利用段表和頁(yè)表實(shí)現(xiàn)地址映射
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　　2. 地址變換過(guò)程
　　在段頁(yè)式系統(tǒng)中，為了便于實(shí)現(xiàn)地址變換，須配置一個(gè)段表寄存器，其中存放段表始址和段長(zhǎng)
TL。進(jìn)行地址變換時(shí)，首先利用段號(hào)S，將它與段長(zhǎng)TL進(jìn)行比較。若S < TL，表示未越界，于是利
用段表始址和段號(hào)來(lái)求出該段所對(duì)應(yīng)的段表項(xiàng)在段表中的位置，從中得到該段的頁(yè)表始址，并利用
邏輯地址中的段內(nèi)頁(yè)號(hào)P來(lái)獲得對(duì)應(yīng)頁(yè)的頁(yè)表項(xiàng)位置，從中讀出該頁(yè)所在的物理塊號(hào)b，再利用塊號(hào)b
和頁(yè)內(nèi)地址來(lái)構(gòu)成物理地址。
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