【操作系统】内存管理——分页存储的概念、基本地址变换机构、快表

1. 分页存储管理的基本概念

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。

1. 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”或者“页面”。每个页面也有一个编号，即“页号”，页号也是从0开始。

操作系统也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：分页存储有可能产生内部碎片（最后一个页框），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。

2. 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。（页表通常存在PCB中）

1. 一个进程对应一张页表。
2. 进程的每个页面对应一个页表项。
3. 每个页表项由“页号”和“块号”组成。
4. 页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的映射关系。
5. 每个页表项的长度是相同的。

思考1：

假设某系统物理内存大小为4GB，页面大小为4KB，则每个页表项至少应该为多少字节？整个页表又占多少字节？

分析： 注意：页表项是连续存放的，因此页号可以是隐含的，不占存储空间（类比数组）。每个页表项占3B，存储整个页表至少需要3*（n+1）B。

说明：页表记录的只是内存块号，而不是内存的起始地址。J号内存块的起始地址=J*内存块大小。

思考2：

将进程地址空间分页之后，操作系统如何实现逻辑地址到物理地址的转换？

特点：虽然进程的各个页面是离散存放的，但是页面内部是连续存放的。

如果要访问逻辑地址A，则

1. 确定逻辑地址A对应的“页号”P。
2. 找到P号页面在内存中的起始地址（需要查页表）。
3. 确定逻辑地址A的“页内偏移量”W。

逻辑地址A对应的物理地址=P号页面在内存中的起始地址+页内偏移量W。

思考：如何确定一个逻辑地址对应的页号、页内偏移量？

例如：在某计算机系统重，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？

计算： 在计算机内部，地址是用二进制表示的，如果页面大小刚好是2的整数幂，则计算机硬件可以很快速的把逻辑地址拆分成（页号、页内偏移量）。

2. 基本地址变换机构

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，页表的起始地址和页表长度放在进程控制块（PCB）中，当进程被调度时，操作系统内核会把他们放到页表寄存器中。

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： 示例： 在分页存储管理（页式管理）的系统中，只要确定了每个页面的大小，逻辑地址结构就确定了。因此，页式管理中地址是一维的。即，只要给出一个逻辑地址，系统就可以自动地算出页号、页内偏移量两个部分，而不需要显式地告诉系统这个逻辑地址中，页内偏移量占多少位。

3. 具有快表的地址变换机构

快表，又称联想寄存器(TLB，translation lookaside buffer )，是一种访问速度比内存快很多的高速缓存(TLB不是内存!)，用来存放最近访问的页表项的副本，可以加速地址变换的速度。与此对应，内存中的页表常称为慢表。

①CPU给出逻辑地址，由某个硬件算得页号、页内偏移量，将页号与快表中的所有页号进行比较。

②如果找到匹配的页号，说明要访问的页表项在快表的副本中，则直接从中取出该页对应的内存块号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此，若快表命中，则访问某个逻辑地址仅需要一次访存即可。

③如果没有找到匹配的页号，则需要访问内存中的页表，找到对应的页表项，得到页面存放的内存块号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此，若快表未命中，则访问某个逻辑地址需要两次访存（注意：在找到页表项后，应同时将其存入快表，以便后面可能得再次访问。但若快表已满，则必须按照一定的算法对旧的页表项进行替换）

4. 小结