內(nèi)存頁(yè)式存儲(chǔ)管理

1、內(nèi)存頁(yè)式存儲(chǔ)管理基本原理 將程序的邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(yè)(page)，而物理內(nèi)存劃分為同樣大小的頁(yè)框(page frame)。程序加載時(shí)，可將任意一頁(yè)放人內(nèi)存中任意一個(gè)頁(yè)框，這些頁(yè)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(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯地址和物理地址之間的映射。在頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式中地址結(jié)構(gòu)由兩部構(gòu)成，前一部分是頁(yè)號(hào)，后一部 頁(yè)式管理方式的優(yōu)點(diǎn)是： 1)沒(méi)有外碎片，每個(gè)內(nèi)碎片不超過(guò)頁(yè)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(dòng)態(tài)生成的數(shù)據(jù)增多，所要求的地址空間相應(yīng)增長(zhǎng))。 缺點(diǎn)是：要求程序全部

2、裝入內(nèi)存，沒(méi)有足夠的內(nèi)存，程序就不能執(zhí)行。 分為頁(yè)內(nèi)地址w(位移量) 頁(yè)式管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在頁(yè)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(yè)分配頁(yè)框。當(dāng)進(jìn)程撤銷(xiāo)時(shí)收回所有分配給它的頁(yè)框。在程序的運(yùn)行期間，如果允許進(jìn)程動(dòng)態(tài)地申請(qǐng)空間，操作系統(tǒng)還要為進(jìn)程申請(qǐng)的空間分配物理頁(yè)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(yè)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(yè)表的相關(guān)信息。為了完成上述的功能，個(gè)頁(yè)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(yè)表：完成邏輯頁(yè)號(hào)(本進(jìn)程的地址空間)到物理頁(yè)面號(hào)(實(shí)際內(nèi)存空間，也叫塊

3、號(hào))的映射。 頁(yè)式管理地址變換 在頁(yè)式系統(tǒng)中，指令所給出的地址分為兩部分：邏輯頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址。 原理：CPU中的內(nèi)存管理單元(MMU)按邏輯頁(yè)號(hào)通過(guò)查進(jìn)程頁(yè)表得到物理頁(yè)框號(hào)，將物理頁(yè)框號(hào)與頁(yè)內(nèi)地址相加形成物理地址 上述過(guò)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(yè)表的首地址裝入處理器特定的寄存器中即可。一般來(lái)說(shuō)，頁(yè)表存儲(chǔ)在主存之中。這樣處理器每訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)在內(nèi)存中的操作數(shù)，就要訪(fǎng)問(wèn)兩次內(nèi)存： 第一次用來(lái)查找頁(yè)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(xiě)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(yè)表從內(nèi)存裝入CPU內(nèi)部的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器(

4、例如，快表) 中，實(shí)現(xiàn)按內(nèi)容查找。此時(shí)的地址變換過(guò)程是：在CPU給出有效地址后，由地址變換機(jī)構(gòu)自動(dòng)將頁(yè)號(hào)送人快表，并將此頁(yè)號(hào)與快表中的所有頁(yè)號(hào)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(yè)號(hào)，表示要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)的頁(yè)表項(xiàng)在快表中。于是可直接讀出該頁(yè)所對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)，這樣就無(wú)需訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表。由于關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)速度比內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)速度快得多。 具有快表的地址變換機(jī)構(gòu) 由于頁(yè)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(fǎng)問(wèn)內(nèi)存。第一次是訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表，從中找到指定頁(yè)的物理塊號(hào)，再將塊號(hào)與頁(yè)內(nèi)偏移量W拼接，以形成物理地址。第二次訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)，才是從第一次所得地址中獲得所需數(shù)據(jù)(

5、或向此地址中寫(xiě)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?？梢?jiàn)，以此高昂代價(jià)來(lái)?yè)Q取存儲(chǔ)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(chēng)為“聯(lián)想寄存器”(Associative Memory)，或稱(chēng)為“快表”，在IBM系統(tǒng)中又取名為T(mén)LB(Translation Lookaside Buffer)，用以存放當(dāng)前訪(fǎng)問(wèn)的那些頁(yè)表項(xiàng)。此時(shí)的地址變換過(guò)程是：在CPU給出有效地址后，由地址變換機(jī)構(gòu)自動(dòng)地將頁(yè)號(hào)P送入高速緩沖寄存器，并將此頁(yè)號(hào)與高速緩存中的所有頁(yè)號(hào)進(jìn)行比較，若其中有與此相匹配的頁(yè)號(hào)，便表示所要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)表項(xiàng)在快表中。于是，可直接從快表中讀出該頁(yè)所對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)，并送到物理地址寄存器中。如在塊表中未找到對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)，則還須再訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表，找到后，把從頁(yè)表項(xiàng)中讀出的物理塊號(hào)送地址寄存器;同時(shí)，再將此頁(yè)表項(xiàng)