非连续分配管理方式的基本分页存储管理的基本概念

Posted 2022-12-28 bfhonor

一、 基本分页存储管理的基本概念（非连续分配管理方式）

• 连续分配 ：为用户进程分配的必须是一个 连续的内存空间。
• 非连续分配 ：为用户进程分配的可以是一些 分散的内存空间。

（一）什么是“地址空间”

• 逻辑地址（相对地址）：是指由程序产生的与段相关的偏移地址部分。
• 物理地址（绝对地址）：是指出现在CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号，是地址变换的最终结果地址。

（二）什么是分页存储

• 将内存空间分为一个个大小相等的分区（比如：每个分区4KB），每个分区就是一个“页框”（页框=页帧=内存块=物理块=物理页面）。每个页框有一个编号，即“页框号”（页框号=页帧号=内存块号=物理块号=物理页号），页框号从0开始。
• 将进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分，每个部分称为一个“页”或“页面” 。每个页面也有一个编号，即“页号”，页号也是从0开始。
• 操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说，进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。
• 各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的各个页框中。
• （注：进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大。也就是说，分页存储有可能产生内部碎片，因此页框不能太大，否则可能产生过大的内部碎片造成浪费）

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• 页 ：将进程划分的块，对应的大小就叫页面大小。
• 页框 ：将内存划分的块。
• 页和页框二者一一对应，一个页放入一个页框，（理论上）页的大小和页框的大小相等。
• 页表 ：就是一个页和页框一一对应的关系表。【存放在内存中】 关系表只是起到一个索引的作用，说白了就是能根据关系表能查到某一个页面和哪一个页框所对应

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（三）重要的数据结构——页表

• 为了能知道进程的每个页面在内存中存放的位置，操作系统要为每个进程建立一张页表。
  注：页表通常存在PCB（进程控制块）中
  

问题一：每个页表项占多少字节？

问题二：如何实现地址的转换

（1）如何确定一个逻辑地址对应的页号、页内偏移量？

• 在某计算机系统中，页面大小是50B。某进程逻辑地址空间大小为200B，则逻辑地址 110 对应的页号、页内偏移量是多少？
  
  
  
• 总结：页面大小 刚好是 2 的整数幂有什么好处？
  ①逻辑地址的拆分更加迅速——如果每个页面大小为 2^KB，用二进制数表示逻辑地址，则末尾 K 位即为页内偏移量，其余部分就是页号。因此，如果让每个页面的大小为 2 的整数幂，计算机硬件就可以很方便地得出一个逻辑地址对应的页号和页内偏移量，而无需进行除法运算，从而提升了运行速度。
  ②物理地址的计算更加迅速——根据逻辑地址得到页号，根据页号查询页表从而找到页面存放的内存块号，将二进制表示的内存块号和页内偏移量拼接起来，就可以得到最终的物理地址。

（三）逻辑地址结构

（四）基本地址变换机构

• 结合上一小节理解基本地址变换机构（用于实现逻辑地址到物理地址转换的一组硬件机构）的原理和流程
• 基本地址变换机构可以借助进程的页表将逻辑地址转换为物理地址。
• 通常会在系统中设置一个页表寄存器（PTR），存放页表在内存中的起始地址F和页表长度M。
• 进程未执行时，页表的始址 和 页表长度放在进程控制块（PCB）中，当进程被调度时，操作系统内核会把它们放到页表寄存器中。
• 注意：页面大小是2的整数幂
• 设页面大小为L，逻辑地址A到物理地址E的变换过程如下：
  
• ①计算页号 P 和页内偏移量W（ 如果用十进制数手算，则 P=A/L，W=A%L；但是在计算机实际运行时，逻辑地址结构是固定不变的，因此计算机硬件可以更快地得到二进制表示的页号、页内偏移量）
• ②比较页号P 和页表长度M，若 P≥M，则产生越界中断，否则继续执行。（注意：页号是从0开始的，而页表长度至少是1，因此 P=M 时也会越界）
• ③页表中页号P对应的页表项地址 = 页表起始地址F + 页号P * 页表项长度，取出该页表项内容b，即为内存块号。（注意区分页表项长度、页表长度、页面大小的区别。页表长度指的是这个页表中总共有几个页表项，即总共有几个页；页表项长度指的是每个页表项占多大的存储空间；页面大小指的是一个页面占多大的存储空间）
• ④计算 E = b * L + W，用得到的物理地址E 去访存。（如果内存块号、页面偏移量是用二进制表
  示的，那么把二者拼接起来就是最终的物理地址了）
• 动手验证：假设页面大小 L = 1KB，最终要访问的内存块号b = 2，页内偏移量W= 1023。
  ①尝试用 E = b * L + W 计算目标物理地址。
  ②尝试把内存块号、页内偏移量用二进制表示，并把它们拼接起来得到物理地址。
  对比①、②的结果是否一致。
  

1. 对页表项大小的进一步探讨

• 每个页表项的长度是相同的，页号是“隐含”的
  
  
• 结论：理论上，页表项长度为 3B 即可表示内存块号的范围，但是，为了方便页表的查询，常常会让一个页表项占更多的字节，使得每个页面恰好可以装得下整数个页表项。