分页式/段式存储管理

一、概述

在复习操作系统的时候 ，遇到的第一个难点，当年的操作系统课上老师这块也没讲，所以对这些知识的了解几乎为空白，特此记录，怕过后忘了。

好，现在进入正题。

页式，段式或者段页式都管理属于离散存储管理中的一种 ，采用这种方式的主要目的是为了解决碎片问题，不用连续地分配内存，可以将一个进程/程序离散地装入到不连续的内存中。

二、主要过程及涉及技术介绍说明

①分页式存储

首先将进程和内存都已页为单位进行分块，进程中的称为页，内存中的称为块，一一对应，大小相等，这个时候就需要一个专门的数据结构来管理这种映射关系，也就是页表，页表也是存在内存中的。在这种映射关系的基础上，通过相应的硬件转换机制可以将逻辑地址转换为对应的物理地址，从而实现内存的分配与管理。

                                                                            （图1.1）

页面大小一般是由机器决定的，通常为4KB，如图1.1所示，以某一32位逻址为例，4KB（2^12B）的页大小，12根地址线可以完全表示，即快内偏移为12位。剩下20位用来表示页号，最多可以表示2^20-1页。再来看页表项，一个页表项就代表了一个进程中页与内存中块的映射，故页面数等于页表项个数，页表项中有两个数据项，页号和块号。（图1.2）根据给定的逻址可以算出对应的页号，再结合页表可以求出对应的块号，此时再结合偏移地址便可得出物理地址。

（图1.2）

具体过程见图1.3，在映射的过程中，系统还设置了相应的内存保护机制，使用一个界限保护寄存器，来确保没有地址越界等事情的发生。同时，设置了一个页面寄存器来存放页表始址和页面长度。

（图1.3）

上述过程通常由处理器的硬件直接完成，不需要软件参与。通常，操作系统只需在进程切换时，把进程页表的首地址装入处理器特定的寄存器中即可。

一般来说，页表存储在主存之中。这样处理器每访问一个在内存中的操作数，就要访问两次内存：

第一次用来查找页表将操作数的 逻辑地址变换为物理地址；第二次完成真正的读写操作。

这样做时间上耗费严重。为缩短查找时间，可以将页表从内存装入CPU内部的关联存储器(例如，快表)中，实现按内容查找。

此时的地址变换过程是：在CPU给出有效地址后，由地址变换机构自动将页号送人快表，并将此页号与快表中的所有页号进行比较，而且这种比较是同时进行的。

若其中有与此相匹配的页号，表示要访问的页的页表项在快表中。于是可直接读出该页所对应的物理页号，这样就无需访问内存中的页表。由于关联存储器的访问速度比内存的访问速度快得多。

页式管理方式的优点是：

1）没有外碎片，每个内碎片不超过页大比前面所讨论的几种管理方式的最大进步是，

2）一个程序不必连续存放。

3）便于改变程序占用空间的大小(主要指随着程序运行，动态生成的数据增多，所要求的地址空间相应增长)。

缺点是：要求程序全部装入内存，没有足够的内存，程序就不能执行

②分段式管理

跟页式管理不同的是，段式管理是针对用户的，它是将程序进行分段，装入内存。在段式存储管理系统中，为每个段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以不连续地存放在内存的不同分区中。程序加载时，操作系统为所有段分配其所需内存，这些段不必连续，物理内存的管理采用动态分区的管理方法。

段式管理的内存格式和页式相似，由段号和段内偏移组成（如图2.1），而有点略微不同的是每一段的大小不是由系统决定的，是由用户编程决定的。

（图2.1）

同样，段表项也发生了变换，页表项只有两项，而在段表中增加了一栏，用来表示段长，具体结构如下（图2.2）：

（图2.2）

同样，在地址变换机构中，有两种越界保护，①段号是否小于段长 ②段内偏移是否小于段长。

（图2.3）

在段式管理系统中，整个进程的地址空间是二维的，即其逻辑地址由段号和段内地址两部分组成。为了完成进程逻辑地址到物理地址的映射，处理器会查找内存中的段表，由段号得到段的首地址，加上段内地址，得到实际的物理地址。（如图2.3）这个过程也是由处理器的硬件直接完成的，操作系统只需在进程切换时，将进程段表的首地址装入处理器的特定寄存器当中。这个寄存器一般被称作段表地址寄存器。