內(nèi)存頁式存儲管理

為了支持多道程序系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng),支持多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行,引入了分區(qū)式存儲管理，這里給大家分享一些關(guān)于內(nèi)存頁式存儲管理，希望對大家能有所幫助。

基本原理

將程序的邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(page)，而物理內(nèi)存劃分為同樣大小的頁框(page frame)。程序加載時(shí)，可將任意一頁放人內(nèi)存中任意一個(gè)頁框，這些頁框不必連續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)了離散分配。該方法需要CPU的硬件支持，來實(shí)現(xiàn)邏輯地址和物理地址之間的映射。在頁式存儲管理方式中地址結(jié)構(gòu)由兩部構(gòu)成，前一部分是頁號，后一部

頁式管理方式的優(yōu)點(diǎn)是：

1)沒有外碎片，每個(gè)內(nèi)碎片不超過頁大比前面所討論的幾種管理方式的最大進(jìn)步是，

2)一個(gè)程序不必連續(xù)存放。

3)便于改變程序占用空間的大小(主要指隨著程序運(yùn)行，動態(tài)生成的數(shù)據(jù)增多，所要求的地址空間相應(yīng)增長)。

缺點(diǎn)是：要求程序全部裝入內(nèi)存，沒有足夠的內(nèi)存，程序就不能執(zhí)行。

分為頁內(nèi)地址w(位移量)

頁式管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在頁式系統(tǒng)中進(jìn)程建立時(shí)，操作系統(tǒng)為進(jìn)程中所有的頁分配頁框。當(dāng)進(jìn)程撤銷時(shí)收回所有分配給它的頁框。在程序的運(yùn)行期間，如果允許進(jìn)程動態(tài)地申請空間，操作系統(tǒng)還要為進(jìn)程申請的空間分配物理頁框。操作系統(tǒng)為了完成這些功能，必須記錄系統(tǒng)內(nèi)存中實(shí)際的頁框使用情況。操作系統(tǒng)還要在進(jìn)程切換時(shí)，正確地切換兩個(gè)不同的進(jìn)程地址空間到物理內(nèi)存空間的映射。這就要求操作系統(tǒng)要記錄每個(gè)進(jìn)程頁表的相關(guān)信息。為了完成上述的功能，—個(gè)頁式系統(tǒng)中，一般要采用如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)程頁表：完成邏輯頁號(本進(jìn)程的地址空間)到物理頁面號(實(shí)際內(nèi)存空間，也叫塊號)的映射。

頁式管理地址變換

在頁式系統(tǒng)中，指令所給出的地址分為兩部分：邏輯頁號和頁內(nèi)地址。

原理：CPU中的內(nèi)存管理單元(MMU)按邏輯頁號通過查進(jìn)程頁表得到物理頁框號，將物理頁框號與頁內(nèi)地址相加形成物理地址

上述過程通常由處理器的硬件直接完成，不需要軟件參與。通常，操作系統(tǒng)只需在進(jìn)程切換時(shí)，把進(jìn)程頁表的首地址裝入處理器特定的寄存器中即可。一般來說，頁表存儲在主存之中。這樣處理器每訪問一個(gè)在內(nèi)存中的操作數(shù)，就要訪問兩次內(nèi)存：

第一次用來查找頁表將操作數(shù)的 邏輯地址變換為物理地址;

第二次完成真正的讀寫操作。

這樣做時(shí)間上耗費(fèi)嚴(yán)重。為縮短查找時(shí)間，可以將頁表從內(nèi)存裝入CPU內(nèi)部的關(guān)聯(lián)存儲器(例如，快表) 中，實(shí)現(xiàn)按內(nèi)容查找。此時(shí)的地址變換過程是：在CPU給出有效地址后，由地址變換機(jī)構(gòu)自動將頁號送人快表，并將此頁號與快表中的所有頁號進(jìn)行比較，而且這 種比較是同時(shí)進(jìn)行的。若其中有與此相匹配的頁號，表示要訪問的頁的頁表項(xiàng)在快表中。于是可直接讀出該頁所對應(yīng)的物理頁號，這樣就無需訪問內(nèi)存中的頁表。由于關(guān)聯(lián)存儲器的訪問速度比內(nèi)存的訪問速度快得多。

具有快表的地址變換機(jī)構(gòu)

由于頁表是存放在內(nèi)存中的，這使CPU在每存取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，都要兩次訪問內(nèi)存。第一次是訪問內(nèi)存中的頁表，從中找到指定頁的物理塊號，再將塊號與頁內(nèi)偏移量W拼接，以形成物理地址。第二次訪問內(nèi)存時(shí)，才是從第一次所得地址中獲得所需數(shù)據(jù)(或向此地址中寫入數(shù)據(jù))。因此，采用這種方式將使計(jì)算機(jī)的處理速度降低近1/2。可見，以此高昂代價(jià)來換取存儲器空間利用率的提高，是得不償失的。

為了提高地址變換速度，可在地址變換機(jī)構(gòu)中增設(shè)一個(gè)具有并行查尋能力的特殊高速緩沖寄存器，又稱為“聯(lián)想寄存器”(Associative Memory)，或稱為“快表”，在IBM系統(tǒng)中又取名為TLB(Translation Lookaside Buffer)，用以存放當(dāng)前訪問的那些頁表項(xiàng)。此時(shí)的地址變換過程是：在CPU給出有效地址后，由地址變換機(jī)構(gòu)自動地將頁號P送入高速緩沖寄存器，并將此頁號與高速緩存中的所有頁號進(jìn)行比較，若其中有與此相匹配的頁號，便表示所要訪問的頁表項(xiàng)在快表中。于是，可直接從快表中讀出該頁所對應(yīng)的物理塊號，并送到物理地址寄存器中。如在塊表中未找到對應(yīng)的頁表項(xiàng)，則還須再訪問內(nèi)存中的頁表，找到后，把從頁表項(xiàng)中讀出的物理塊號送地址寄存器;同時(shí)，再將此頁表項(xiàng)存入快表的一個(gè)寄存器單元中，亦即，重新修改快表。但如果聯(lián)想寄存器已滿，則OS必須找到一個(gè)老的且已被認(rèn)為不再需要的頁表項(xiàng)，將它換出。右圖示出了具有快表的地址變換機(jī)構(gòu)。

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