4.3 存儲空間的組織

1、4.3 存儲空間的組織一、內(nèi)存儲器的管理技術(shù)二、外存儲器中文件的組織結(jié)構(gòu)1一、內(nèi)存儲器的管理技術(shù) 1.存儲器的層次2.存儲器管理的功能 3.虛擬存儲的概念4.存儲器有關(guān)概念5.存儲管理基本技術(shù)2 1.存儲器的層次32.存儲器管理的功能 (1)內(nèi)存空間的分配與回收(2)地址變換(3)存儲共享與保護(4)存儲器擴充4(1)內(nèi)存空間的分配與回收(2)地址變換為了保證CPU執(zhí)行程序指令時能正確訪問存儲單元，需要將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運行時可由機器直接尋址的物理地址，這一過程稱為地址變換或地址重定位。任何進程要在CPU上執(zhí)行，都必須首先裝入內(nèi)存，需要一定數(shù)量的存儲單元用以存放程序和數(shù)據(jù)。因此，操作

2、系統(tǒng)應(yīng)能記住內(nèi)存空間的使用情況；實施內(nèi)存的分配，回收系統(tǒng)或用戶釋放的內(nèi)存空間。2.存儲器管理的功能 5(3)存儲共享與保護(4)存儲器擴充2.存儲器管理的功能 由于多道程序共享內(nèi)存，使內(nèi)存資源更為緊張，可以在硬件支持下，將外存作為主存的擴充部分供用戶程序使用，這就是內(nèi)存擴充。即要求操作系統(tǒng)根據(jù)個時刻用戶程序允許的情況確保當(dāng)前需要的程序和數(shù)據(jù)在內(nèi)存，而其余部分可以暫時放在外存，等需要時再調(diào)入內(nèi)存。由于各用戶程序與操作系統(tǒng)同在內(nèi)存，因此，一方面允許各用戶程序能夠共享系統(tǒng)或用戶的程序和數(shù)據(jù)，另一方面又要求各程序之間互不干擾或破壞對方。63.虛擬存儲的概念 根據(jù)程序的時間局部性和空間局部性，不必將程序

3、全部讀入內(nèi)存，而只需將當(dāng)前用到的信息進入內(nèi)存，其他當(dāng)前未用的信息留在外存；而當(dāng)作業(yè)進一步運行需要用到外存中的信息時，再把已經(jīng)用過但暫時還不會用得的信息換到外存，把當(dāng)前需要的信息換到已空出的內(nèi)存空間中。 從效果上看，這樣的計算機系統(tǒng)好像為用戶提供了一個存儲容量比實際內(nèi)存大得多的存儲器，這個存儲器稱為虛擬存儲器。 虛擬存儲器的大小受外存容量的限制。71） 邏輯地址：用戶程序經(jīng)編譯之后的每個目標(biāo)模塊都以0為基地址順序編址。 2） 物理地址：內(nèi)存中各物理單元的地址是從統(tǒng)一的基地址順序編址。 4.存儲器有關(guān)概念3） 重定位：把邏輯地址轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)存的物理地址的過程。4） 碎片：內(nèi)存中容量太小、無法被利用的小

4、分區(qū)。 5） 靜態(tài)重定位：是在目標(biāo)程序裝入內(nèi)存時，由裝入程序?qū)δ繕?biāo)程序中的指令和數(shù)據(jù)的地址進行修改，即把程序的邏輯地址都改成實際的內(nèi)存地址。重定位在程序裝入時一次完成896）動態(tài)重定位：在程序執(zhí)行期間，每次訪問內(nèi)存之前進行重定位，這種變換是靠硬件地址變換機構(gòu)實現(xiàn)的。 105.存儲管理基本技術(shù)1) 固定分區(qū)：分區(qū)的個數(shù)、分區(qū)的大小固定不變； 每個分區(qū)只能放一道作業(yè)。 優(yōu)點：管理方式簡單。 缺點：內(nèi)存空間利用率低。 2) 動態(tài)分區(qū)法：分區(qū)大小和個數(shù)依作業(yè)情況而定；作業(yè)進入內(nèi)存時才建分區(qū)。 優(yōu)點：按需分配內(nèi)存 缺點：產(chǎn)生大量碎片。 (1)界地址存儲管理11(2)分頁存儲管理1.分頁的概念 1)邏輯空

5、間等分為頁； 2)物理空間等分為塊，與頁面大小相同； 3)邏輯地址表示：（如，頁面大小為1K）4)內(nèi)存分配原則：以塊為單位，邏輯上相鄰的頁可以分配在不相鄰的內(nèi)存塊中。PW頁號頁內(nèi)偏移量12例，設(shè)程序的邏輯地址空間劃分為1024字節(jié)大小的若干頁，一個程序作業(yè)占用3頁，由管理程序?qū)⑵浞謩e分配給主存空間的第2、第3和第8塊。程序作業(yè)的具體任務(wù)是從邏輯地址為2500處取得一個數(shù)據(jù)。圖給出了該例邏輯地址與物理地址的對應(yīng)關(guān)系。13(3)分段存儲管理在頁式存儲管理方案中，為作業(yè)分配的主存空間地址可以是不連續(xù)的，但作業(yè)的邏輯空間地址仍然要求是連續(xù)的。而在實際中，一個用戶的程序往往是由若干功能相對獨立的模塊組成

6、的，如主程序模塊、子程序模塊、數(shù)據(jù)塊等。我們把各種相對獨立的程序和數(shù)據(jù)模塊稱為段。每個段都具有完整的邏輯意義。段式存儲管理就是以段作為基本單位的主存管理方法。14 在段式存儲管理下，每個用戶程序可由若干段組成，每段可以對應(yīng)于一個過程、一個程序模塊或一個數(shù)據(jù)集合，段間的地址可以是不連續(xù)的，但每一段內(nèi)的地址是連續(xù)的。將一個用戶程序的所有邏輯段從0開始編號，稱為段號，每一段內(nèi)的所有單元從0開始編址，稱為段內(nèi)地址。用戶程序地址空間的每一個單元都用二維地址表示，即邏輯地址由段號和段內(nèi)地址兩部分組成：分段管理基本原理15(4)段頁式存儲管理 前面所介紹的頁式和段式存儲管理方式都各有其優(yōu)缺點。頁式系統(tǒng)能有效

7、地提高內(nèi)存利用率，而段式系統(tǒng)則能很好地滿足用戶需求。如果對兩種存儲管理方式“各取所長”后，則可以形成一種新的存儲管理方式。這種新系統(tǒng)既具有分段系統(tǒng)便于實現(xiàn)、分段可共享、易于保護、可動態(tài)鏈接等一系列優(yōu)點，又能像分頁系統(tǒng)那樣很好地解決內(nèi)存的外部碎片問題，以及為各個分段可離散地分配內(nèi)存等問題。這種結(jié)合段式管理及頁式管理優(yōu)點的存儲管理方式稱為段頁式存儲管理。16 段頁式系統(tǒng)的基本原理是段式和頁式原理的結(jié)合，即先將用戶程序分為若干個段，再把每個段劃分成若干頁；內(nèi)存空間采用頁式方法來分配和管理，即把內(nèi)存空間劃分為若干個與頁大小相等的塊。內(nèi)存空間是以頁為基本單位分配給每個用戶程序的，在邏輯上相鄰的頁面，在內(nèi)

8、存中不一定相鄰。在段頁式系統(tǒng)中，其有效地址結(jié)構(gòu)由段號、段內(nèi)頁號及頁內(nèi)地址三部分組成：段頁管理基本原理17段頁式系統(tǒng)的作業(yè)地址空間示意圖18二、外存儲器中文件的組織結(jié)構(gòu)1.文件、文件系統(tǒng)的概念2.文件的分類3.文件的物理結(jié)構(gòu)4.文件的目錄結(jié)構(gòu)191.文件、文件系統(tǒng)的概念1文件：是具有符號名字的一組相關(guān)元素的有序集合。2文件系統(tǒng)：是操作系統(tǒng)中負責(zé)存取和管理文件的軟件機構(gòu)。它實現(xiàn)文件的共享和保護，方便用戶“按名存取”。3. 文件的命名：文件名=文件名（正名）+擴展名.擴展名含義擴展名含義.exe可執(zhí)行文件.jpg圖片.com可執(zhí)行文件.gif動畫.bat批處理文件.htm.html超文本文件.zip

9、壓縮文件.bmp圖片.rar壓縮文件.swf動畫文件202.文件的分類為便于文件的控制和管理，通常把文件分成若干類型。 文件按其性質(zhì)和用途可分為：系統(tǒng)文件有關(guān)操作系統(tǒng)及其它系統(tǒng)程序的信息所組成的文件。這類文件對用戶不直接開放，只能通過系統(tǒng)調(diào)用為用戶服務(wù)。(2) 庫文件由系統(tǒng)提供給用戶使用的各種標(biāo)準(zhǔn)過程、函數(shù)和應(yīng)用程序文件。這類文件允許用戶調(diào)用，但不允許用戶修改。(3) 用戶文件由用戶建立的的文件，如源程序、目標(biāo)程序、以及由原始數(shù)據(jù)、計算結(jié)果等組成的文件。21(1) 只讀文件：允許文件所有者或授權(quán)用戶對文件進行讀，但不允許寫。 根據(jù)文件的保護方式，文件可分為：2.文件的分類（續(xù)）(2) 讀寫文件

10、：允許文件所有者或授權(quán)用戶對文件進行讀寫，但禁止未核準(zhǔn)的用戶讀、寫。(3)執(zhí)行文件：允許核準(zhǔn)用戶調(diào)用執(zhí)行，但不允許對它進行讀寫。(4) 不保護文件：所有用戶都可以存取。22 按數(shù)據(jù)形式文件可分為：2.文件的分類（續(xù)）(1) 源文件：指由源程序或數(shù)據(jù)構(gòu)成的文件。通常由終端或輸入設(shè)備的源程序和數(shù)據(jù)所形成的文件都屬于源文件。(2) 目標(biāo)文件：指由源程序編譯以后，但尚未鏈接的目標(biāo)代碼形成的文件。目標(biāo)文件屬于二進制文件。(3) 可執(zhí)行文件：編譯后的目標(biāo)代碼經(jīng)鏈接程序鏈接后形成的可以允許的文件。233.文件的物理結(jié)構(gòu) 文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件的內(nèi)部組織形式，亦即文件在物理存儲設(shè)備上的存放方法。它和文件的存取

11、方法密切相關(guān)。文件的物理結(jié)構(gòu)好壞，直接影響到文件系統(tǒng)的性能。因此，只有針對文件或系統(tǒng)的適用范圍建立起合適的物理結(jié)構(gòu)，才能既有效地利用存儲空間，又便于系統(tǒng)對文件的處理。 文件在邏輯上是連續(xù)的，而在文件空間中的存放位置可以有各種形式。根據(jù)文件空間中的存放形式，文件可分為連續(xù)文件、串連文件和索引文件。24(1)連續(xù)文件把邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放在連續(xù)編號的物理塊中.優(yōu)點是訪問速度快，缺點是文件長度增加困難。25(2)鏈接文件 邏輯上連續(xù)的文件分散存放在若干不連續(xù)的物理塊中，每個物理塊設(shè)有一個指針，指向其后續(xù)的物理塊。只要指明文件的第一個塊號，就可以按鏈指針檢索整個文件。優(yōu)點是：文件可以動態(tài)地增長

12、，不必事先提出長度要求。另外，由于不必連續(xù)分配，因而不會造成整塊空間的浪費。26(3)索引文件 索引文件的組織方式要求為每個文件建立一張索引表，表中的每個項目指出了文件的邏輯塊號和與之對應(yīng)的物理塊號。索引表也以文件的形式存在磁盤上，只要給出索引表的地址，通過索引表就可以查找到文件信息的存放位置.27 這種結(jié)構(gòu)有利于進行隨機存取，并具備串連文件的所有優(yōu)點。缺點是存儲開銷大，因為每個文件有一個索引表，而索引表也要占用存儲空間。(3)索引文件（續(xù)）284.文件的目錄結(jié)構(gòu) 在一個計算機系統(tǒng)中保存有許多文件，用戶在創(chuàng)建和使用文件時只給出文件的名字，由文件系統(tǒng)根據(jù)文件名找到指定文件。為了便于對文件進行管理，設(shè)置了文件目錄，用于檢索系統(tǒng)中的所有文件。文件系統(tǒng)的基本功能之一就是負責(zé)目錄的編排、維護和目錄的檢索，因此，要求目錄的編排便于尋址，并且要防止沖突，目錄的檢索要迅速方便。291文件控制塊FCB 文件控制塊FCB是系統(tǒng)為管理文件而設(shè)置的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。FCB是文件存在的標(biāo)志，它記錄了系統(tǒng)管理文件所需要的全部信息。FCB通常應(yīng)包括以下內(nèi)容：文件名、文件號、用戶名、文件的物理位置、文件長度、記錄大小、文件類型、文件屬性、共享說明、文件邏輯結(jié)構(gòu)、文件物理結(jié)構(gòu)、建立文件的日期和時間、最后訪問日期和時間、最后修改日期和時間