基本分段存儲管理方式

如果說推動存儲管理方式從固定分區到動態分區分配，進而又發展到分頁存儲管理方式的主要動力，是提高記憶體利用率，那么，引入分段存儲管理方式的目的，則主要是為了滿足用戶（程式設計師）在編程和使用上多方面的要求，其中有些要求是其它幾種存儲管理方式所難以滿足的。因此，這種存儲管理方式已成為當今所有存儲管理方式的基礎。

基本介紹

• 中文名：基本分段存儲管理方式
• 記憶體管理：分段分配
• 理論範疇：作業系統

分段存儲管理方式的引入

引入分段存儲管理方式，主要是為了滿足用戶和程式設計師的下述一系列需要：

1) 方便編程

通常，用戶把自己的作業按照邏輯關係劃分為若干個段，每個段都是從0開始編址，並有自己的名字和長度。因此，希望要訪問的邏輯地址是由段名(段號)和段內偏移量(段內地址)決定的。例如，下述的兩條指令便是使用段名和段內地址：

LOAD 1，[A] |〈D〉；

STORE 1，[B] |〈C〉；

其中，前一條指令的含義是將分段A中D單元內的值讀入暫存器1；後一條指令的含義是將暫存器1的內容存入B分段的C單元中。

2) 信息共享

在實現對程式和數據的共享時，是以信息的邏輯單位為基礎的。比如，共享某個例程和函式。分頁系統中的“頁”只是存放信息的物理單位(塊)，並無完整的意義，不便於實現共享；然而段卻是信息的邏輯單位。由此可知，為了實現段的共享，希望存儲管理能與用戶程式分段的組織方式相適應。

3) 信息保護

信息保護同樣是對信息的邏輯單位進行保護，因此，分段管理方式能更有效和方便地實現信息保護功能。

4) 動態增長

在實際套用中，往往有些段，特別是數據段，在使用過程中會不斷地增長，而事先又無法確切地知道數據段會增長到多大。前述的其它幾種存儲管理方式，都難以應付這種動態增長的情況，而分段存儲管理方式卻能較好地解決這一問題。

5) 動態連結

動態連結是指在作業運行之前，並不把幾個目標程式段連結起來。要運行時，先將主程式所對應的目標程式裝入記憶體並啟動運行，當運行過程中又需要調用某段時，才將該段(目標程式)調入記憶體並進行連結。可見，動態連結也要求以段作為管理的單位。

分段系統的基本原理

分段

在分段存儲管理方式中，作業的地址空間被劃分為若干個段，每個段定義了一組邏輯信息。例如，有主程式段MAIN、子程式段X、數據段D及棧段S等，如圖4-17所示。每個段都有自己的名字。為了實現簡單起見，通常可用一個段號來代替段名，每個段都從0開始編址，並採用一段連續的地址空間。段的長度由相應的邏輯信息組的長度決定，因而各段長度不等。整個作業的地址空間由於是分成多個段，因而是二維的，亦即，其邏輯地址由段號(段名)和段內地址所組成。

分段地址中的地址具有如下結構：

在該地址結構中，允許一個作業最長有 64 K個段，每個段的最大長度為64 KB。　分段方式已得到許多編譯程式的支持，編譯程式能自動地根據源程式的情況而產生若干個段。例如，Pascal編譯程式可以為全局變數、用於存儲相應參數及返回地址的過程調用棧、每個過程或函式的代碼部分、每個過程或函式的局部變數等等，分別建立各自的段。類似地，Fortran編譯程式可以為公共塊(Common block)建立單獨的段，也可以為數組分配一個單獨的段。裝入程式將裝入所有這些段，並為每個段賦予一個段號。

段表

在前面所介紹的動態分區分配方式中，系統為整個進程分配一個連續的記憶體空間。而在分段式存儲管理系統中，則是為每個分段分配一個連續的分區，而進程中的各個段可以離散地移入記憶體中不同的分區中。為使程式能正常運行，亦即，能從物理記憶體中找出每個邏輯段所對應的位置，應像分頁系統那樣，在系統中為每個進程建立一張段映射表，簡稱“段表”。每個段在表中占有一個表項，其中記錄了該段在記憶體中的起始地址(又稱為“基址”)和段的長度，如右圖所示。段表可以存放在一組暫存器中，這樣有利於提高地址轉換速度，但更常見的是將段表放在記憶體中。

利用段表實現地址映射

地址變換機構

為了實現從進程的邏輯地址到物理地址的變換功能，在系統中設定了段表暫存器，用於存放段表始址和段表長度TL。在進行地址變換時，系統將邏輯地址中的段號與段表長度TL進行比較。若S>TL，表示段號太大，是訪問越界，於是產生越界中斷信號；若未越界，則根據段表的始址和該段的段號，計算出該段對應段表項的位置，從中讀出該段在記憶體的起始地址，然後，再檢查段內地址d是否超過該段的段長SL。若超過，即d>SL，同樣發出越界中斷信號；若未越界，則將該段的基址d與段內地址相加，即可得到要訪問的記憶體物理地址。

下圖示出了分段系統的地址變換過程。

像分頁系統一樣，當段表放在記憶體中時，每要訪問一個數據，都須訪問兩次記憶體，從而極大地降低了計算機的速率。解決的方法也和分頁系統類似，再增設一個聯想存儲器，用於保存最近常用的段表項。由於一般情況是段比頁大，因而段表項的數目比頁表項的數目少，其所需的聯想存儲器也相對較小，便可以顯著地減少存取數據的時間，比起沒有地址變換的常規存儲器的存取速度來僅慢約10%～15%。

信息共享

分段系統的一個突出優點，是易於實現段的共享，即允許若干個進程共享一個或多個分段，且對段的保護也十分簡單易行。在分頁系統中，雖然也能實現程式和數據的共享，但遠不如分段系統來得方便。我們通過一個例子來說明這個問題。例如，有一個多用戶系統，可同時接納40個用戶，他們都執行一個文本編輯程式(Text Editor)。如果文本編輯程式有160 KB的代碼和另外40 KB的數據區，則總共需有 8 MB的記憶體空間來支持40個用戶。如果160 KB的代碼是可重入的(Reentrant)，則無論是在分頁系統還是在分段系統中，該代碼都能被共享，在記憶體中只需保留一份文本編輯程式的副本，此時所需的記憶體空間僅為1760 KB(40×40+160)，而不是8000 KB。

假定每個頁面的大小為4 KB，那么，160 KB的代碼將占用40個頁面，數據區占10個頁面。為實現代碼的共享，應在每個進程的頁表中都建立40個頁表項，它們的物理塊號都是21#～60#。在每個進程的頁表中，還須為自己的數據區建立頁表項，它們的物理塊號分別是61#～70#、71#～80#、81#～90#，…，等等。下圖是分頁系統中共享editor的示意。

在分段系統中，實現共享則容易得多，只需在每個進程的段表中為文本編輯程式設定一個段表項。下圖是分段系統中共享editor的示意圖。

可重入代碼(Reentrant Code)又稱為“純代碼”(Pure Code)，是一種允許多個進程同時訪問的代碼。為使各個進程所執行的代碼完全相同，絕對不允許可重入代碼在執行中有任何改變。因此，可重入代碼是一種不允許任何進程對它進行修改的代碼。但事實上，大多數代碼在執行時都可能有些改變，例如，用於控制程式執行次數的變數以及指針、信號量及數組等。為此，在每個進程中，都必須配以局部數據區，把在執行中可能改變的部分拷貝到該數據區，這樣，程式在執行時，只需對該數據區(屬於該進程私有)中的內容進行修改，並不去改變共享的代碼，這時的可共享代碼即成為可重入碼。