虚拟存储

　　一、虚拟存储器

　　虚拟存储器是为“扩大”主存容量而采用的一种设计技巧，就是它只装入部分作业信息来执行，好处在于借助于大容量的辅助存储器实现小主存空间容纳大逻辑地址空间的作业。

　　虚拟存储器的容量由计算机的地址结构（地址总线位数）决定。如32位的，则更大的虚存容量为2^32=4294967296B=4GB。

　　二、叙述页式虚拟存储器的基本原理

　　页式虚拟存储器是在页式存储的基础上实现虚拟存储器的，其工作原理是：

　　首先把作业信息作为副本存放在磁盘上，作业执行时，把作业信息的部分页面装入主存，并在页表中对相应的页面是否装入主存作出标志。

　　作业执行时若所访问的页面已经在主存中，则按页式存储管理方式进行地址转换，得到绝对地址，否则产生“缺页中断”由操作系统把当前所需的页面装入主存。

　　若在装入页面时主存中无空闲块，则由操作系统根据某种“页面调度”算法选择适当的页面调出主存换入所需的页面。

　　三、常用的页面调度算法：FIFO、LRU、LFU

　　页面调度：当主页中无空闲块时，为了装入一个页面，就必须按某种算法将主存中某个页调出，调入所需装入的页面。

　　常用的算法有：先进先出调度算法（FIFO）、更近更少使用调度算法（LRU）和更近更不常用调度算法（LFU）。

　　特别要注意掌握的就是LRU（更近更少使用调度算法）的算法，如何进行调度。

　　5、缺页中断率

　　f=F/A，这里的f就称为缺页中断率。

　　A为作业执行中调入页面的总次数，F为访问的页面尚未装入主存的次数。

　　四、段式虚拟存储器的实现

　　段式虚拟存储管理以段式存储管理为基础，即在磁盘上保留作业的各个分段信息，作业执行时把需要执行的一段或几段装入主存。

　　在实际使用中，也要进行查表和地址转换以及“缺段中断” 和调度（包括调出、装入、移动等）工作。

　　五、比较各种存储管理方式的特征

　　单分区管理

　　除操作系统占用的一部分存储空间外，其余的用户区域作为一个连续的分区分配给用户使用。

　　界限寄存器值+逻辑地址→绝对地址。

　　固定分区的管理分区数目、大小固定。

　　设置上、下限寄存器

 　　逻辑地址+下限地址→绝对地址。

　　可变分区的管理 可变分区管理方式不是把作业装入到已经划分好的分区中，而是在作业要求装入主存储器时，根据作业需要的主存量和当时的主存情况决定是否可以装入该作业。

　　分区数目大小不定

　　设置基址、限长寄存器

　　逻辑地址+基址寄存器的值→绝对地址。 基址值≤绝对地址≤基址值+限长值。

　　页式存储管理 主存储器分为大小相等的“块”。

　　程序中的逻辑地址进行分“页”，页的大小与块的大小一致。

　　用页表登记块页分配情况

　　逻辑地址的页号部分→页表中对应页号的起始地址→与逻辑地址的页内地址部分拼成绝对地址。 由页表中的标志位验证存取是否合法，根据页表长度判断是否越界。

　　段存储管理程序分段

　　每一段分配一个连续的主存区域，作业的各段可被装到不相连的几个区域中。

　　设置段表记录分配情况

　　逻辑地址中的段号→查段表得到本段起始地址+段内地址→绝对地址 由段表中的标志位验证存取是否合法，根据段表长度判断是否越界。

　　页式虚拟存储管理 类似页式管理将作业信息保存在磁盘上部分装入主存。

　　类似页式管理：

　　逻辑地址的页号部分→页表中对应页号的起始地址→与逻辑地址的页内地址部分拼成绝对地址。

　　若该页对应标志为0，则硬件形成“缺页中断”先将该页调入主存 类似页式管理。

　　段式虚拟存储管理 类似段式管理将作业信息保存在磁盘上部分装入主存。

　　类似段式管理

　　只有单分区适用于单道系统。

　　只有单分区和固定分区的为静态重定位，不需要硬件转换机构。其余为动态重定位，需要硬件转换。

　　六、可变分区经常采用的主存分配算法

　　更先适应分配算法：简单地说，就是在分区表中顺序查找，找到够大的空闲区就分配。

　　更优适应分配算法：挑选一个能满足作业要求的更小空闲区。

　　更坏适应分配算法：挑一个更大的空闲区分给作业使用。

　　七 、I/O保护

　　<1>特权指令：即可能影响系统安全的指令。全文是为保护输入输出的完整性，把“启动I/O”等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。

　　特权指令的使用权限：特权指令只允许操作系统使用，用户程序不能使用特权指令。

　　用户程序若要启动I/O，必须请求操作系统代为启动。优点在于：这种方式不但保证安全地使用外围设备，正确地传送信息，而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作，大大方便了用户。

　　<2> 管态和目态

　　中央处理器的两种工作方式：管态和目态。

　　在管态下，中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令；

　　目态次于管态，在目态下，中央处理器不准执行特权指令。

　　操作系统在管态下工作，用户程序在目态下工作。

　　<3> 存储保护

　　操作系统与硬件如何配合来实现存储保护的？

　　答：硬件中设置了两个寄存器来限定用户程序执行时可以访问的空间范围。这两个寄存器是基址寄存器和限长寄存器，用来限定用户程序执行时可以访问的主存空间范围。

　　程序执行时，系统对每一个访问内存的地址进行核对：

　　“基址寄存器值≤访问地址≤基址寄存器值+限长寄存器值”成立，则允许访问；否则，不允许访问。

　　这样就保护了该区域以外的存储信息不受到破坏，一旦程序执行中出错也不会涉及其他程序。

　　注：中央处理器在管态下执行程序时候，对访问主存的地址不进行核对。

　　文件管理

　　一、存储介质是指可用来记录信息的磁带、硬磁盘组、软磁盘片、卡片等。存储介质的物理单位定义为“卷”。

　　存储设备与主存储器之间进行信息交换的物理单位是块。块定义为存储介质上存放的连续信息所组成的一块区域。

　　逻辑上具有完整意义的信息集合称为“文件”。

　　用户对文件内的信息按逻辑上独立的含义划分的信息单位是记录，每个单位为一个逻辑记录。

　　二、文件

　　1、文件的目录

　　（1）文件目录是用来检索文件的。文件目录由若干目录项组成。目录项记录文件的有关信息。

　　（2）文件目录的结构

　　包括一级目录结构、二级目录结构和树形（多级）目录结构。

　　树形目录允许用户在自己的文件中再建立子目录。从根目录到文件之间所有各级子目录名和该文件名的顺序组合称为文件的“路径名”，路径分为绝对路径，相对路径。

　　2、文件的分类

　　文件可以按各种方法进行分类：

　　按用途：系统文件、库文件、用户文件

　　按保护级别：可执行文件、只读文件、读写文件

　　按信息流向：输入文件、输出文件、输入输出文件

　　按存放时限：临时文件、永久文件、档案文件

　　按设备类型：磁盘文件、磁带文件、卡片文件、打印文件

　　按文件组织结构：逻辑文件、物理文件（顺序文件、链接文件、索引文件）

　　3、文件的存取方式

　　顺序存取，随机存取。

　　文件的存取方式有顺序存取和随机存取两种。磁带上的文件只能顺序存取，磁盘上的文件既可采用顺序方式也可用随机方式存取。

　　4、文件的结构

　　1、逻辑结构

　　用户构造的文件称为文件的逻辑结构。如用户的一篇文档、一个数据库记录文件等。逻辑文件有两种形式：流式文件和记录式文件。

　　流式文件是指用户对文件内信息不再划分的可独立的单位，如我们的word文件，图片文件等。整个文件是以顺序的一串信息组成。

　　记录式文件：是指用户对文件内信息按逻辑上独立的含义再划分信息单位，每个单位为一个逻辑记录。记录式文件可以存取的更小单位是记录项。每个记录可以独立存取。这个在数据库中我们学得比较多，容易理解。

　　2、物理结构

　　由文件系统在存储介质上的文件构造方式称为文件的物理结构。物理结构有：

　　1）顺序结构：在磁盘上就是一块接着一块地放文件。逻辑记录的顺序和磁盘顺序文件块的顺序一致。顺序文件的更大优点是存取速度快（可以连续访问）。

　　2）链接结构：把磁盘分块，把文件任意存入其中，再用指针把各个块按顺序链接起来。这样所有空闲块都可以被利用，在顺序读取时效率较高但需要随机存取时效率低下（因为要从第一个记录开始读取查找）。

　　3）索引结构：磁盘不分块，文件的逻辑记录任意存放在磁盘中，通过一张“索引表”指示每个逻辑记录存放位置。这样，访问时根据索引表中的项来查找磁盘中的记录，既适合顺序存取记录，也可以随机存取记录，并且容易实现记录的增删和插入，所以索引结构被广泛应用。

　　5、文件的保护与保密

　　1）文件的保护是防止文件被破坏，。文件的保密是防止文件被窃取。

　　2）文件的保护措施：

　　防止系统故障造成的破坏，可以采建立副本和定时转储的方法；为了防止用户共享文件可能造成的文件破坏，可以采用树形目录结构、存取控制表和规定文件使用权限的方法。

　　3）文件的常用保密措施：隐藏文件目录、设置口令和使用密码（加密）等。

　　三、记录的成组与分解

　　1、记录的成组与分解的原因：由于磁盘块的大小是预先划分好的，大小固定，而逻辑记录的大小是用户文件性质决定的，不一定和块大小一致。

　　2、记录的成组：把若干个逻辑记录存入一个块的工作称为“记录的成组”。每块中逻辑记录的个数称“块因子”。

　　3、记录的分解：这是记录成组的一个逆过程。经程是先从磁盘中找到记录所在的块，并将本块读入主存缓冲区，再从缓冲区取出所需要的记录送到用户工作区。如果用户所需的记录已经在缓冲区中，则不需要启动外设读块信息，这也可以提高系统工作效率。

　　四、存储空间的分配与回收

　　1、用位示图进行磁盘存储空间的分配与回收。

　　2、用空闲块表进行磁盘存储空间的分配与回收：如同主存管理中的空闲区表，表每一行记录一组连续空闲块的首块号和空闲块数，空闲块数为“0”的登记项为“空”登记项。

　　一、作业和作业步

　　1、作业：我们把用户要求计算机系统处理的一个问题称为一个“作业”。

　　2、作业步：完成作业的每一个步聚称为“作业步”。

　　二、作业控制方式

　　1、作业控制方式，包括批处理方式和交互方式。

　　批处理控制方式：也称脱机控制方式或自动控制方式。就是一下子交待任务，执行过程中不再干涉。

　　交互控制方式：也称联机控制方式。就是一步一步地交待任务。做好了一步，再做下一步。

　　2、批处理作业的控制（领会）

　　1）按用户提交的作业控制说明书控制作业的执行。

　　2）一个作业步的工作往往由多个进程的合作来完成。

　　3）一个作业步的工作完成后，继续下一个作业步的作业，直至作业执行结束。

　　3、交互式作业的管理（领会）

　　1）交互式作业的特点： 交互式作业的特点主要表现在交互性上，它采用人机对话的方式工作。

　　2）交互式作业的控制：一种是操作使用接口，另一种是命令解释执行。

　　操作使用接口包括操作控制命令，菜单技术，窗口技术。

　　命令的解释执行 一类是操作系统中的相应处理模块直接解释执行； 另一类必须创建用户进程去解释执行。

　　3、终端用户控制终端作业的执行大致有四个阶段：终端的连接、用户注册、控制作业执行和用户退出。

　　三、批处理作业的调度及调度算法（综合应用）

　　1、批处理作业：采用批处理控制方式的作业称为“批处理作业”。

　　2、批处理作业进入系统时必须提交：源程序、运行时的数据、用作业控制语言书写的作业控制说明书。

　　3、批处理作业的输入：操作员只要用“预输入命令”启动SPOOL系统中的“预输入程序”工作就可把作业流中的作业信息存放到“输入井”中。等待系统的调度。

　　4、什么叫作业调度？作业调度选择作业的必要条件是什么？

　　答：作业调度是指按一定的策略从“输入井”中选择资源能得到满足的作业装入主存储器，使作业能有机会占用处理器执行。作业调度选择作业的必要条件是系统中现有的尚未分配的资源能够满足该作业的资源要求。

　　5、作业调度与进程调度

　　作业调度的职责是把输入井中的作业装入主存。

　　进程调度的职责就是选择当前可占用处理器的进程。