软考笔记——2.2存储、文件、设备管理

一、存储

1、页式存储管理

将进程空间分为一个个页，假设每个页大小为4K，同样的将系统的物理空间页分为一个个4K大小的物理块（页帧号）。这样，每次将需要运行的逻辑页装入物理块中，运行完再装入其他需要运行的页，就可以分批次运行完进程，而无需将整块逻辑空间全部装入物理内存中

• 优点：利用率高、碎片小（页没有装满就为碎片小）（只在最后一个页中有）、分配及管理简单
• 缺点：增加了系统开销，可能产生抖动现象

 【例题】某计算机系统页面大小为4K，若进程的页面变换表如下所示，逻辑地址为十六进制1D16H.该地址经过变换后，其物理地址应为十六进制（ 3D16H ）

 页号在高位，页偏移在地位，逻辑地址转换为物理地址时页内偏移是不变的，只有页号会变 

 解析：页面大小为4K，则页内偏移递地址为12位（2^12=4K,表示是页内地址占12位，页内偏移占12位），才能表示4K大小空间；由此，可知逻辑地址1D16H的低12位D16H为偏移地址，高4位1为逻辑页号，在页表中对应物理块号3，因此物理地址为3D16H

2、页面置换算法

有时候，进程空间分为100个页面，而系统内存只有10个物理块，无法满足全部分配，就需要将马上要执行的页面先分配进去，而后根据算法进行淘汰，使100个页面能够按执行顺序调入物理块中执行完成

缺页就表示需要执行的页不在物理块中，需要从外部调入内存，会增加执行时间，因此，缺页数越多，系统效率越低

最优算法：OPT，理论的算法，无法实现，是在进程执行完之后进行的最佳效率计算，用来让其他算法比较差距。原理是选择未来最长时间内不被访问的页面置换，这样可以保证未来执行的都是马上要访问的

先进先出算法：FIFO，先调入内存的页先被置换淘汰，会产生抖动现象，即分配的页数越多，缺页率可能越多（即效率越低）

最近缺少使用：LRU，在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰，根据局部性原理，这种方式效率高，且不会发生抖动现象

 

 3、快表

快表是一块小容量的相联存储器，由快速存储器组成，按内容访问，速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号。

快表是将页表存于Cache中；慢表是将页表存于内存上

因此慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快

4、 段式存储管理

将进程分为一个个段，每段也有段号和段内地址，与页式存储不同的是，每段物理大小不同，分段是根据逻辑整体分段的

地址表示法：（段号   段内偏移）：其中段内偏移不能超过该段号对应的段长，否则越界错误，而此地址对应的真正内存地址应该是：段号对应的基地址+段内偏移

• 优点：程序逻辑完整，修稿互不影响
• 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大

 

 

 5、段页式存储管理

对进程空间先分段，后分页，具体原理图和优缺点如下：

• 优点：空间浪费小、存储共享容易、能动态连接
• 缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降

6、 空闲存储空间管理

空闲区表法：将所有空闲空间整合成一张表，即空闲文件目录

空闲链表法：将所有空闲空间链接成一个链表，根据需要分配

成组链接法：既分组，每组内又链接成链表，是上述两种方法的综合

位示图法：对每个物理空间用一位标识，为1则使用，为0则空闲，形成一张位示图

 

 二、文件

1、文件结构

计算机系统中采用的索引文件结构如下图所示

 系统中有13个索引节点，0-9位直接索引，即每个索引节点存放的是内容，假设每个物理盘大小位4KB，可共存4KB*10=40KB数据

10号索引节点为一级间接索引节点大小为4KB，存放的并非直接数据，而是链接到直接物理盘的地址，假设每个地址占4B，则共有1024个地址，对应1024个物理盘，可存1024*4KB=4098KB数据

二级索引节点类似，直接盘存放一级地址，一级地址再存放物理盘块地址，而后链接到存放数据的物理盘，容量又扩大了一个数量级，为1024*1024*4KB数据

 2、树形文件目录

相对路径：是从当前路径开始的路径

绝对路径：是从根目录开始的路径

全文件名=绝对路径+文件名。要注意，绝对路径和相对路径是不加最后的文件名的，只是单纯的路径序列

树形结构主要是区分相对路径和结对路径

三、 设备管理

1、设备的分类方式：

• 按数据组织分类：块设备、字符设备
• 资源分配角度分类：独占设备、共享设备和虚拟设备
• 数据传输速率分类：低速设备、中速设备、高速设备 

I/O软件（输入输出软件）层次结构：

 

 2、输入输出技术

程序控制（查询）方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低（CPU与外设串行工作）

程序中断方式：外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高。适用于键盘等实时性较高的场景（CPU与外设并行工作）

中断响应时间指的是从发出中断请求到开始进入中断处理程序；中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束。中断向量提供中断服务程序的入口地址。多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场

DMA方式（直接主存存取）：CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。适用于硬盘等高速设备。（CPU与外设并行工作）

在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时；区分指令执行结束和总线周期结束

3、虚设备和SPOOLING技术

一台实际的物理设备，例如打印机，在同一时间只能由一个进程使用，其他进程只能等待，且不知道什么时候打印机空闲，此时，极大的浪费了外设的工作效率

引入SPOOLING技术，就是在外设上建立两个数据缓冲区，分别称为输入井和输出井，这样，无论多少进程，都可以共用这一台打印机，只需要将打印命令发出，数据就会排队存储在缓冲区中，打印机会自动按顺序打印，实现了物理外设的共享，使得每个进程都感觉在使用一个打印机，这就是物理设备的虚拟化，如下图所示

 【例题】计算机系统中主机与外设间的输入输出控制方式有多种，其中占用主机CPU时间最多的是（ D ）

A、通道                B、DMA                C、中断                D、程序查询

解析：在计算机中，输入输出控制方式主要有5种，分别是程序查询方式（程序控制方式）、程序中断方式、DMA工作方式、通道方式、I/O处理机。这5种方式占用主机CPU时间按多到少排序为：程序查询方式（程序控制方式）、程序中断方式、DMA工作方式、通道方式、I/O处理机