考研408--操作系统--day7--非连续分配管理方式

（以下内容全部出自上述课程）

目录

• 基本分页存储管理
• • [1. 什么是分页存储](#1. 什么是分页存储)
  • [2. 页表](#2. 页表)
  • • [2.1 每个页表项占多少字节？](#2.1 每个页表项占多少字节？)
    • [2.2 如何实现地址的转换](#2.2 如何实现地址的转换)
    • [2.3 如何确定对应的页号和偏移量](#2.3 如何确定对应的页号和偏移量)
  • [3. 逻辑地址结构](#3. 逻辑地址结构)
  • [4. 小结](#4. 小结)
• 基本地址变换机构
• • [1. 转换过程--图](#1. 转换过程--图)
  • [2. 转换过程-文字](#2. 转换过程-文字)
  • [3. 页表项大小](#3. 页表项大小)
  • [4. 小结](#4. 小结)
• 具有快表的地址变换机构
• • [1. 什么是快表](#1. 什么是快表)
  • [2. 转换过程-图](#2. 转换过程-图)
  • [3. 转换过程-文字](#3. 转换过程-文字)
  • [4. 局部性原理](#4. 局部性原理)
  • [5. 小结](#5. 小结)
• 两级页表
• • [1. 单级表存在的问题](#1. 单级表存在的问题)
  • [2. 如何解决连续存放](#2. 如何解决连续存放)
  • [3. 两级页表的原理、地址结构](#3. 两级页表的原理、地址结构)
  • [4. 如何实现地址变换](#4. 如何实现地址变换)
  • [5. 如何解决整个页表常驻内存](#5. 如何解决整个页表常驻内存)
  • [6. 细节](#6. 细节)
  • [7. 小结](#7. 小结)
• 基本分段存储管理
• • [1. 分段](#1. 分段)
  • 2.段表
  • [3. 地址转换](#3. 地址转换)
  • [4. 分段、分页管理的对比](#4. 分段、分页管理的对比)
  • [5. 小结](#5. 小结)
• 段页式管理方式
• • [1. 优缺点分析](#1. 优缺点分析)
  • [2. 段表、页表](#2. 段表、页表)
  • [3. 地址转换](#3. 地址转换)
  • [4. 小结](#4. 小结)

基本分页存储管理

1. 什么是分页存储

• 内存 --分区--> 页框=页帧=内存块=物理块=物理页面
• 进程 --分区--> 页&页面
• 对应关系：一个页面对应一个页框（把分好的进程块放入分好的内存块内）
• 类似于，把一整块完整的牛肉（进程）平均切成不同的小块（页面），分别放到很多个相同的保鲜盒（页框）里，所有的保鲜盒都放在冰箱（内存）内。
  

2. 页表

• 进程：页表=1：1
• 页面：页表项=1：1
• 页表项=页号+块号
• 映射关系：就是找出谁在哪儿
  
  既然有了页表，自然而然我们就需要想到这个页表的属性 ，比如每个页表项有多大，占几个字节。
  既然出现了映射关系，我们还需要考虑到逻辑地址和物理地址之间是如何转换的（主要研究的问题）
  

2.1 每个页表项占多少字节？

• 内存块大小：4KB=2¹²B
• 内存大小：4GB=2³²B
• 块数=内存大小/内存块大小=2^32-12=2²⁰
• 内存块号至少用20bit表示
• 20/8取整=3B
• 所以至少用3B表示块号

这里补一个细节（其实是我总转不过脑子）：

为什么因为内存块总数量是 2²⁰ 个，所以需要 20bit 的二进制数才能唯一标识每个块号?

这其实是二进制数的 "位数" 与 "可表示不同数值数量" 的对应规律

用简单例子就能理解：二进制中，n 位二进制数能表示的不同数值数量是 2ⁿ 个，对应的数值范围是 0 ~2ⁿ-1。

举几个简单例子：

1 位二进制数（n=1）：能表示 0、1，共 2¹=2个值；

2 位二进制数（n=2）：能表示 00、01、10、11，共 2²=4个值；

3 位二进制数（n=3）：能表示 000~111，共 2³=8个值；

回到问题：内存块总数量是 2²⁰ 个，对应的块号需要覆盖0 ~2ⁿ-1个不同的编号。此时，我们需要找一个 "位数 n"，让 n 位二进制数刚好能表示 2²⁰个不同值 ------ 显然当 n=20时，2²⁰个值正好能覆盖所有块号。

注意：页号不占存储空间。类似于角标，默认是按正常顺序，所以不需要额外注意。

一个页表项需要3B，n+1个页表项（序号n，+1是因为有个序号0的）就需要3（n+1）B

2.2 如何实现地址的转换

重定位寄存器 ：指明了进程在内存中的起始位置（重定位-->重新定位）
偏移量 ：就是凡事都有误差，这个偏移量就是误差，比如测身高比自己实际身高少一两厘米。
页内偏移量 ：逻辑地址在其所在页内的偏移量，用于在分页管理中定位具体的内存地址。

就是，进程分成一块一块的，可以不看位置放在内存中（谁家放牛肉还要指定哪块儿是头哪块儿是尾啊，随便儿放就行），但实际上在进程中它们还都是连续的。（因为刚切开的时候就是这个顺序位置）

• 访问逻辑地址A-->在冰箱里找到这块肉
• 确定A对应的页号P，看看你是想要哪块儿肉（毕竟不同位置的肉口感不一样）
• 找到P在内存中的起始地址-->放冰箱前规定（规定=页表）好哪层放肉，就去哪层找
• 确定A的页面偏移量W-->就是这个肉在在冰箱的前左位置还是后左位置
  

2.3 如何确定对应的页号和偏移量

• 页号=逻辑地址/页面长度-->冰箱正好横着放四个保鲜盒，我就放了两个保鲜盒，先比量出我想找的在这四个位置的哪一个上
• 页内偏移量=逻辑地址%页面长度-->因为没正好放着四个，就两个，冰箱也没有分格，所以左右位置窜个一两厘米都正常
• ps：其实这个比喻也不太对应逻辑，不过倒是很好理解
  
• 页面大小4KB=2¹²B --> 后12位是页面偏移量
• 32个二进制位-->32个0或1-->前20位页号+后12位页面偏移量
• 符合2的多少次幂的可以快速代入，不符合的就按公式算就可以
  
  
  总之，碰到与2有关的数或者计算，都需要额外留一个心眼，毕竟计算机和二进制根本分不开。
  

3. 逻辑地址结构

对比：

• 物理地址：页面在内存中的初始地址+页内偏移量
• 逻辑地址：页号+页内偏移量

为什么不一样，是因为物理 地址是在内存 中的，逻辑 地址是在进程 中的。

4. 小结

基本地址变换机构

说是机构，可以当成一个流程图看，就是怎么使用页表寄存器将逻辑地址转换为物理地址的。

混淆点：

• 基本分页存储管理：规则
• 基本地址变换机构：使用规则的工具
  

1. 转换过程--图

进程未执行-->需要的都在PCB-->进程启用-->将需要的东西都放进页表寄存器中

逻辑地址 get-->得到页号 P、页内偏移量 W-->页号P 和 页表长度M 比大小-->页号P 和 页表起始地址F 进行计算 ，查页表 -->得到这个页号对应页表中的哪个页表项 --> 得到页表项内容 b，也就是内存块号 --> 物理地址 E = 页面在内存中的初始地址b + 页内偏移量W

**唯一依次计算：**页表项号=页表起始地址F+页号P*页表项长度

ps：粗体字为当时步骤需要求出的信息

2. 转换过程-文字

建议和图片过程来回对照看，步骤3、4理解起来比较难。

对比：

• 物理地址：页面在内存中的初始地址+页内偏移量

• 逻辑地址：页号+页内偏移量

• 共用的数据是页内偏移量。

• 物理地址：内存中的初始地址=内存块号=查表=需要页表项号 -->页表项号=页表起始地址 F+页号 P×页表项长度

  页表项长度=块号大小（页号不占空间）-->可由内存块大小和内存大小计算（见2.1或下面第三点）

• 逻辑地址：页号
  
  

3. 页表项大小

为了方便查询，原本3B（如何算出来的请看2.1）的就需要扩1B，变为4B，让每个页面刚好装得下整数个页表项。

4. 小结

具有快表的地址变换机构

1. 什么是快表

Cache相关内容具体可见：Cache

TLB，就是专门用来存放最近访问的页表项副本 的Cache。

因为Cache比内存访问速度更快，所以叫做快表，内存里的就只能叫做慢表了。

2. 转换过程-图

大体流程和基本地址变换机构相同。

不同点：

• 因为是Cache，所以第一次访问的页号会存入Cache中
• 再次访问时，Cache中有的就可以快速访问，没有的就需要从内存中找
  

3. 转换过程-文字

平均耗时和普通Cache一样（算是Cache的基本特性吧）：

• 一种是先查Cache，没有再查主存
• 一种是Cache和主存同时查
• 显而易见第二种效率更高
  
  

4. 局部性原理

就是啥都不一定。

5. 小结

两级页表

1. 单级表存在的问题

简单说，就是一维的内存占得太多，就像人类古时候写字，一个横代表一，两个横代表二，一百总不能画一百个横吧，所以就有了竖的概念，多引入了一个维度，可以更好地解决空间的问题。

2. 如何解决连续存放

像我上面说的，多引入一个维度的概念，比如单级不够用，那就引入二级，二级不够用就引入三级，叠罗汉和套娃，总有一种方法适合。

这里就是给页表也创造了一个页表，多层查询。

3. 两级页表的原理、地址结构

• 第一列：是第二列分割后的索引。
• 第二列：是第三列的直接索引。
• 第一列绿色部分：是第一列索引的索引。

简单说就是丢掉第二列改用第一列，想用第一列的第一步，就是用绿色的索引查出你要用哪个序号的页表，再查这个页表中的页表项获得块号什么的，因为是由第二列顺序切割开的，所以每个页表的块号和第二列的块号是对应的。

此图就是把绿色的索引收集起来也变成了一个页表。一级查一级。

4. 如何实现地址变换

这里访问的顺序是：

• 通过一级页号0获得内存块号3
• 到达内存块号3获得二级页表
• 通过二级页号1获得内存块号4
• 成功到达
  

5. 如何解决整个页表常驻内存

人性化处理，用到你时才用你来，用不到也不强迫你来

6. 细节

各级页表大小不能超过一个页面

总之就是计算计算计算

7. 小结

基本分段存储管理

1. 分段

就是按照功能，把进程分成不同的程序段。

• \]放的是段号

• 段号位数-->多少个段
• 段内地址位数-->段的最大长度
  

2.段表

和页表一样的概念，就是加了个目录，这样好找程序段。

同样，因为是默认升序，所以段号不占内存。

3. 地址转换

和基本地址变换机构相同，都是在进程启用的时候把需要用的东西从PCB中送到寄存器中。

ps：怪不得都姓"基础"呢...

大体流程和基本地址变换机构相同，不过多了第四步，需要检查段内地址是否超过段长。

4. 分段、分页管理的对比

• 分页-->系统-->长度固定-->一维
• 分段-->用户-->长度不固定-->二维
  
  分段因为每个程序段的作用不同，就可以更好地设置权限，比如不能改的就干脆给个只读的权限什么的。
  
  分页的话，可能需要区分两种权限的刚好分在一个页面上，一个只能读，一个可读可修改，根本中和不到一起，所以就可能出现安全问题。
  
  

5. 小结

段页式管理方式

两相结合，具体不再赘述。

1. 优缺点分析

先分段再分页，保证每个程序段中都只有自己这一类的代码，保住了安全性还更节约内存了。

2. 段表、页表

3. 地址转换

4. 小结