计算机操作系统中的存储管理

在理想情况下存储器的速度应能与处理机相匹配，容量大，价格低。但目前无法同时满足这样三个条件。现代计算机系统中，存储部件通常采用层次结构进行组织。

5.1.1 存储器的层次

对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为CPU寄存器，中间为内存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具体的功能分工细划为寄存器、高速缓存、内存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等6层。如图5-1所示，在存储层次中越往上，存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对存储容量也越小。其中，寄存器、高速缓存、内存储器和磁盘缓存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电后存储的信息被清空。固定磁盘和可移动存储介质属于设备管理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存。

图5-1 计算机系统存储层次示意图

在计算机系统存储层次中，寄存器和内存储器又被称为可执行存储器，存放于其中的信息与存放于外存中的信息相比而言，计算机所采用的访问机制不同，所需耗费的时间亦不同。进程可以在很少的时钟周期内使用一条load或store指令对可执行存储器进行访问，但对外存的访问则需要通过I／O设备来实现，因此，访问中将涉及中断、设备驱动程序以及物理设备的运行，所需耗费的时间远远高于对可执行存储器访问的时间，一般相差3个数量级甚至更多。

不同层次的存储介质，均由操作系统进行统一管理。操作系统的存储管理，负责对可执行存储器的分配、回收以及提供在存储层次间数据移动的管理机制，例如内存与磁盘缓存、高速缓存与内存间的数据移动等。在设备和文件管理中，根据用户的需求提供对外存的管理机制。本章主要讨论有关存储管理部分的问题，对于外存部分，则放在以后的章节中进行。(www.xing528.com)

5.1.2 地址变换和存储保护

由于固定分区管理方式是预先把内存划分成若干个区，每个区只装入一个作业，因此作业在执行过程中是不会改变存放区域的。可以采用静态重定位的方式把作业装入到分配的分区中去。

为了实现存储保护，处理器设置了一对寄存器，称为“下限寄存器”和“上限寄存器”（图5-2）。当一个已经被装入内存的作业得到处理器运行时，进程调度应记录当前运行作业所在的分区号，且把该分区的下限地址和上限地址分别送入下限寄存器和上限寄存器中。处理器执行该作业的指令时必须核对下限地址≤绝对地址≤上限地址。如果上述不等式不成立，则为防止破坏其他分区中的信息，硬件产生“地址越界”中断事件，停止执行该指令，以达到存储保护的目的。

图5-2 固定分区存储管理示意图

运行的作业在让出处理器时，调度程序选择另一个可运行的作业，同时修改当前运行作业的分区号和下、上限寄存器内容，以保证处理器能控制作业在所在的分区内正确运行。