14:VirtualMemoryI
1 虚拟存储器 主要内容 存储管理技术的发展过程虚拟存储器的基本概念 按需调页虚拟地址空间虚拟存储器方式三种方式：页式、段式、段页式逻辑地址--物理地址的转换页表、缺页处理替换策略快表存储保护地址越界检查存取权限检查 存储器资源的管理由操作系统来实现 存储空间作为资源，被OS管理 存储器资源的管理由操作系统来实现 操作系统(OS)通过合理地管理、调度计算机的硬件资源，使其高效被利用。
存储器作为一种空间资源，由OS来管理CPU执行的程序总是在操作系统和用户程序之间切换。
主存中同时存储OS和用户程序。
磁盘中也存储OS和用户程序CPU执行指令时，涉及到存储器操作，因此，CPU中专门有一个存储器管理部件MMU（MemoryManagementUnit）协助OS完成存储器访问 OS为“进程”分配存储器资源，所以，先了解一下进程的概念。
复习：一个典型程序的转换处理过程 经典的“hello.c”C-源程序 1#include23intmain()4{5printf("hello,world\n");6}
hello.c的ASCII文本表示
#include\n\nintmain()\n{1046210101051101163210997105110404110123\nprintf("hel10323232321121141051101161024034104101108lo,world\n");\n}10811144321191111141081009211034415910125
不能，需要转换为机器语言代码!
即：编译 计算机能够直接识别hello.c源程序吗？ 复习：Hello程序的数据流动过程 Red：shell命令行处理Blue：可执行文件加载Cyan：hello程序执行过程 “hello”“hello,world/n” “hello” “hello,world/n” Hello可执行文件 问题：hello程序何时被装？谁来装入？被谁启动？每次是否被装到相同的地方？Hello程序是否知道还有其他程序同时运行？是否能直接访问硬件资源？ 操作系统在程序执行过程中的作用 在Hello程序执行过程中，Hello程序本身没有直接访问键盘、显示器、 磁盘和主存储器这些硬件资源，而是依靠操作系统提供的服务来间接 访问。
例如，调用printf（）函数访问硬件。
操作系统是在应用程序和硬件之间插入的一个中间软件层。
操作系统的两个主要的作用：–硬件资源管理，以达到以下两个目的：•统筹安排和调度硬件资源，以防止硬件资源被用户程序滥用•对于广泛使用的复杂低级设备，为用户程序提供一个简单一致的使用接口–为用户使用系统提供一个操作接口 操作系统在程序执行过程中的作用 操作系统通过三个基本的抽象概念（进程、虚拟存储器、文件）实现硬件资源管理 –文件（files）是对I/O设备的抽象–虚拟存储器（VirtualMemory）是对主存和磁盘I/O的抽象–进程（processes）是对处理器、主存和I/O设备的抽象 进程（processes） Hello程序运行时，Hello程序会以为（错觉）：–所有系统资源都被自己独占使用–处理器始终在执行本程序的一条条指令 进程是操作系统对运行程序的一种抽象–一个系统可同时运行很多进程，但每个进程都好像自己独占使用系统–实际上，操作系统让处理器交替执行很多进程中的指令–操作系统实现交替指令执行的机制称为“上下文切换（contextswitching）” 进程的上下文–指进程运行所需的所有状态信息，例如：PC、寄存器堆的当前值、cache内容、段/页表等–系统中有一套状态单元，用以存放当前运行进程的上下文 上下文切换过程（任何时刻，系统中只有一个进程正在运行）–上下文切换指把正在运行的进程换下，换一个新进程到处理器执行，上下文切换时，必须保存换下进程的上下文，恢复换上进程的上下文 进程（processes） unix>./hello[Enter]hello,worldunix> 开始，Shell进程等待命令行输入输入“Hello”后Shell进行系统调用OS保存shell上下文，创建并换入hello进程Hello进程中止时，进行系统调用OS恢复shell进程上下文，并换入shell进程 由于在一个进程的整个生命周期中，有不同进程在CPU上交替运行，所以运行时间很难准确、重复测量 存储管理(MemoryManagement) 早期采用单道程序，系统的主存中包含：–操作系统（常驻监控程序）–正在执行的一个用户程序 所以无需进行存储管理，即使有也很简单。
现在都采用多道程序，系统的存储器中包含：–操作系统–若干个用户程序 如果在存储器中进程数很少，则由于进程花费很多时间来等待I/O，常使处理机处于空闲状态。
因此，存储器需要进行合理分配，尽可能让更多进程进入存储器。
在多道程序系统中，存储器的“用户”部分须进一步划分以适应多个进程。
划分的任务由OS动态执行，这被称为存储管理(memorymanagement)。
MemoryManagementSchema 使系统中尽量多地存储用户程序的解决办法有：
(1)扩大主存(程序越来越长、主存贵，不是根本办法)
(2)采用交换(Exchange)方式和覆盖(Overlap)技术 存储器中无处于就绪状态的进程（例如：某一时刻所有进程都在等待I/O）时，处理器将一些进程调出写回到磁盘，然后OS再调入其他进 程执行，或新的作业直接覆盖老作业的存储区。
分区(Partitioning)和分页(Paging)是交换的两种实现方式“交换”和“覆盖”技术的缺点：对程序员不透明、空间利用率差
(3)虚拟存储器(VirtualMemory)类似上述分页方式，但不是把所有页面一起调到主存，而是采用“按需调页DemandPaging”，在外存和主存间以固定页面进行调度。
虚拟存储器方式下，引入了虚拟地址空间的概念。
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1 虚拟存储器 主要内容 存储管理技术的发展过程虚拟存储器的基本概念 按需调页虚拟地址空间虚拟存储器方式三种方式：页式、段式、段页式逻辑地址--物理地址的转换页表、缺页处理替换策略快表存储保护地址越界检查存取权限检查 存储器资源的管理由操作系统来实现 存储空间作为资源，被OS管理 存储器资源的管理由操作系统来实现 操作系统(OS)通过合理地管理、调度计算机的硬件资源，使其高效被利用。
存储器作为一种空间资源，由OS来管理CPU执行的程序总是在操作系统和用户程序之间切换。
主存中同时存储OS和用户程序。
磁盘中也存储OS和用户程序CPU执行指令时，涉及到存储器操作，因此，CPU中专门有一个存储器管理部件MMU（MemoryManagementUnit）协助OS完成存储器访问 OS为“进程”分配存储器资源，所以，先了解一下进程的概念。
复习：一个典型程序的转换处理过程 经典的“hello.c”C-源程序 1#include
即：编译 计算机能够直接识别hello.c源程序吗？ 复习：Hello程序的数据流动过程 Red：shell命令行处理Blue：可执行文件加载Cyan：hello程序执行过程 “hello”“hello,world/n” “hello” “hello,world/n” Hello可执行文件 问题：hello程序何时被装？谁来装入？被谁启动？每次是否被装到相同的地方？Hello程序是否知道还有其他程序同时运行？是否能直接访问硬件资源？ 操作系统在程序执行过程中的作用 在Hello程序执行过程中，Hello程序本身没有直接访问键盘、显示器、 磁盘和主存储器这些硬件资源，而是依靠操作系统提供的服务来间接 访问。
例如，调用printf（）函数访问硬件。
操作系统是在应用程序和硬件之间插入的一个中间软件层。
操作系统的两个主要的作用：–硬件资源管理，以达到以下两个目的：•统筹安排和调度硬件资源，以防止硬件资源被用户程序滥用•对于广泛使用的复杂低级设备，为用户程序提供一个简单一致的使用接口–为用户使用系统提供一个操作接口 操作系统在程序执行过程中的作用 操作系统通过三个基本的抽象概念（进程、虚拟存储器、文件）实现硬件资源管理 –文件（files）是对I/O设备的抽象–虚拟存储器（VirtualMemory）是对主存和磁盘I/O的抽象–进程（processes）是对处理器、主存和I/O设备的抽象 进程（processes） Hello程序运行时，Hello程序会以为（错觉）：–所有系统资源都被自己独占使用–处理器始终在执行本程序的一条条指令 进程是操作系统对运行程序的一种抽象–一个系统可同时运行很多进程，但每个进程都好像自己独占使用系统–实际上，操作系统让处理器交替执行很多进程中的指令–操作系统实现交替指令执行的机制称为“上下文切换（contextswitching）” 进程的上下文–指进程运行所需的所有状态信息，例如：PC、寄存器堆的当前值、cache内容、段/页表等–系统中有一套状态单元，用以存放当前运行进程的上下文 上下文切换过程（任何时刻，系统中只有一个进程正在运行）–上下文切换指把正在运行的进程换下，换一个新进程到处理器执行，上下文切换时，必须保存换下进程的上下文，恢复换上进程的上下文 进程（processes） unix>./hello[Enter]hello,worldunix> 开始，Shell进程等待命令行输入输入“Hello”后Shell进行系统调用OS保存shell上下文，创建并换入hello进程Hello进程中止时，进行系统调用OS恢复shell进程上下文，并换入shell进程 由于在一个进程的整个生命周期中，有不同进程在CPU上交替运行，所以运行时间很难准确、重复测量 存储管理(MemoryManagement) 早期采用单道程序，系统的主存中包含：–操作系统（常驻监控程序）–正在执行的一个用户程序 所以无需进行存储管理，即使有也很简单。
现在都采用多道程序，系统的存储器中包含：–操作系统–若干个用户程序 如果在存储器中进程数很少，则由于进程花费很多时间来等待I/O，常使处理机处于空闲状态。
因此，存储器需要进行合理分配，尽可能让更多进程进入存储器。
在多道程序系统中，存储器的“用户”部分须进一步划分以适应多个进程。
划分的任务由OS动态执行，这被称为存储管理(memorymanagement)。
MemoryManagementSchema 使系统中尽量多地存储用户程序的解决办法有：
(1)扩大主存(程序越来越长、主存贵，不是根本办法)
(2)采用交换(Exchange)方式和覆盖(Overlap)技术 存储器中无处于就绪状态的进程（例如：某一时刻所有进程都在等待I/O）时，处理器将一些进程调出写回到磁盘，然后OS再调入其他进 程执行，或新的作业直接覆盖老作业的存储区。
分区(Partitioning)和分页(Paging)是交换的两种实现方式“交换”和“覆盖”技术的缺点：对程序员不透明、空间利用率差
(3)虚拟存储器(VirtualMemory)类似上述分页方式，但不是把所有页面一起调到主存，而是采用“按需调页DemandPaging”，在外存和主存间以固定页面进行调度。
虚拟存储器方式下，引入了虚拟地址空间的概念。
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