软考高级系统架构设计师备考（九）：操作系统—存储管理

在操作系统中，存储管理是非常重要的核心功能之一。操作系统需要对内存进行合理分配和管理，使多个进程能够高效、安全地共享系统资源。

在软考高级系统架构设计师考试中，存储管理是计算机系统基础的重要考点，经常出现在：

• 综合知识选择题

• 地址转换计算题

• 存储结构分析题

常见考察内容包括：

• 页式存储管理

• 段式存储管理

• 段页式存储管理

• 地址转换过程

• 快表（TLB）

• 页面大小与地址结构计算

本文将系统讲解这些知识点，并结合典型例题进行说明。

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一、存储管理的基本概念

在计算机系统中，内存是CPU直接访问的存储空间。

如果多个程序同时运行，就需要操作系统负责：

• 内存分配

• 地址转换

• 内存保护

• 内存共享

程序在编译后产生的地址称为：

逻辑地址（Logical Address）

而内存中的真实地址称为：

物理地址（Physical Address）

操作系统需要通过地址映射机制实现：

逻辑地址 → 物理地址

为了解决内存利用率低和碎片问题，操作系统提出了多种存储管理方式。

常见的存储管理方式包括：

• 页式存储

• 段式存储

• 段页式存储

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二、页式存储管理

1 页式存储的基本思想

**页式存储管理（Paging）**将：

• 逻辑地址空间划分为固定大小的页（Page）

• 物理内存划分为相同大小的页框（Frame）

例如：

页大小 = 4KB

那么：

• 程序被划分为多个页

• 内存被划分为多个页框

每一页可以存放在任意页框中。

因此：

页大小 = 页框大小

这样可以避免外部碎片问题。

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2 页表

为了记录页与页框之间的映射关系，操作系统使用：

页表（Page Table）

页表中记录：

页号 → 页框号

例如：

页号	页框号
0	5
1	2
2	8

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3 地址结构

在页式存储中，逻辑地址通常由两部分组成：

页号 + 页内地址

例如：

假设：

页面大小 = 4KB
逻辑地址长度 = 16位

则：

页内地址 = 12位
页号 = 4位

因为：

2^12 = 4096 = 4KB

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4 地址转换过程

地址转换步骤：

1. 从逻辑地址中取出页号

2. 根据页号查页表

3. 找到对应页框号

4. 页框号 + 页内地址 → 物理地址

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三、页式存储计算例题

例题

某系统：

页面大小 = 1KB
逻辑地址 = 5000
页表如下：

页号	页框号
0	3
1	6
2	4
3	7
4	2

求物理地址。

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解题步骤

第一步：计算页号

页号 = 5000 / 1024

页号 = 4

第二步：计算页内地址

页内地址 = 5000 % 1024

页内地址 = 904

第三步：查页表

页号4 → 页框2

第四步：计算物理地址

物理地址 = 页框号 × 页面大小 + 页内地址

= 2 × 1024 + 904
= 2952

因此：

物理地址 = 2952

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四、快表（TLB）

在页式存储中，每次访问内存都需要：

1. 查页表

2. 再访问内存

因此会产生：

两次内存访问

为了提高效率，操作系统引入：

快表（TLB：Translation Lookaside Buffer）

快表是一种高速缓存，用于存储最近使用的页表项。

访问流程变为：

逻辑地址 → 查TLB
       ↓
    命中
       ↓
  直接得到页框号

如果TLB未命中：

查页表 → 更新TLB

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快表访问时间例题

例题

已知：

TLB命中率 = 90%
TLB访问时间 = 10ns
内存访问时间 = 100ns

求有效访问时间。

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计算过程

TLB命中：

10 + 100 = 110ns

TLB未命中：

10 + 100 + 100 = 210ns

有效访问时间：

EAT = 0.9 × 110 + 0.1 × 210

EAT = 99 + 21

EAT = 120ns

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五、段式存储管理

1 段式存储思想

**段式存储管理（Segmentation）**按照程序的逻辑结构进行划分。

例如程序可以划分为：

• 代码段

• 数据段

• 栈段

• 堆段

因此：

每个段大小可以不同

这就是段式存储与页式存储的主要区别。

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2 地址结构

段式存储逻辑地址结构：

段号 + 段内地址

系统使用：

段表（Segment Table）

段表记录：

段号 → 段基址 + 段长度

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3 地址转换过程

步骤：

1. 根据段号查段表

2. 得到段基址

3. 判断段内地址是否越界

4. 物理地址 = 段基址 + 段内地址

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六、段式存储例题

例题

某系统段表如下：

段号	段基址	段长度
0	200	500
1	800	300
2	1200	400

逻辑地址：

(1, 120)

求物理地址。

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解题过程

段号：

1

查段表：

段基址 = 800

判断越界：

120 < 300

未越界。

计算物理地址：

物理地址 = 800 + 120

= 920

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七、段页式存储管理

1 段页式思想

段页式存储是：

段式 + 页式

结合两者优点：

• 段式：符合程序逻辑结构

• 页式：解决内存碎片问题

结构：

程序 → 段
段 → 页
页 → 页框

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2 地址结构

逻辑地址：

段号 + 页号 + 页内地址

地址转换步骤：

1. 查段表得到页表地址

2. 根据页号查页表

3. 得到页框号

4. 计算物理地址

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八、段页式地址转换例题

例题

某系统：

页大小 = 1KB
逻辑地址：(段2，页1，偏移100)

段表：

段号	页表地址
0	PT0
1	PT1
2	PT2

页表 PT2：

页号	页框号
0	3
1	5
2	8

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解题过程

第一步：查段表

段2 → 页表 PT2

第二步：查页表

页1 → 页框5

第三步：计算物理地址

物理地址 = 5 × 1024 + 100

= 5120 + 100

= 5220

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九、页式与段式的区别

对比	页式存储	段式存储
划分方式	固定大小	不固定
划分依据	系统	程序逻辑
地址结构	页号+页内地址	段号+段内地址
碎片	内部碎片	外部碎片

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十、软考高频考点总结

在软考高级系统架构设计师考试中，存储管理重点包括：

页式存储：

• 页号计算

• 页内地址计算

• 页表查找

快表：

• TLB命中率计算

• 有效访问时间

段式存储：

• 段表

• 段基址计算

段页式：

• 地址转换流程

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十一、总结

存储管理是操作系统的重要组成部分，也是软考高级系统架构设计师考试中的高频考点。

本文重点讲解了：

• 页式存储管理

• 段式存储管理

• 段页式存储管理

• 快表（TLB）

• 地址转换计算