第四章 存储管理 3,4 内存离散分配 分页、分段

3. 基本分页存储管理方式

u本部分讨论不具备对换功能的纯分页模式，作业运行需要全部装入内存。

u比较连续分配方式

n作业逻辑地址空间有M大，就需要向内存申请一个M大的连续区域。

n分页的目的是更细粒度的处理空间，减少粗放管理的浪费或开销问题。

1）页面的概念

u内存划分成多个小单元，每个单元K大小，称（物理）块。作业也按K单位大小划分成片，称为页面。

①物理划分块的大小= 逻辑划分的页的大小

②页面大小要适中。

Ø 太大，（最后一页）内碎片增大，类似连续分配的问题。

Ø 太小的话，页面碎片总空间虽然小，提高了利用率，但每个进程的页面数量较多，页表过长，反而又增加了空间使用。

2）页表的概念

u为了找到被离散分配到内存中的作业，记录每个作业各页映射到哪个物理块，形成的页面映射表，简称页表。

u每个作业有自己的页表

u页表的作用：

  页号到物理块号的地址映射

u要找到作业A

  à关键是找到页表（PCB）

  à根据页表找物理块

3）地址的处理

u连续方式下，每条指令用基地址+偏移量即可找到其物理存放的地址。

规律

Ø作业相对地址在分页下不同位置的数有一定的意义结构：

  页号+页内地址（即页内偏移）

Ø关键的计算是：根据系统页面大小找到不同意义二进制位的分界线。

Ø从地址中分析出页号后，地址映射只需要把页号改为对应物理块号，偏移不变，即可找到内存中实际位置。

4）地址变换机构

u地址变换过程

  分页系统中，进程创建，放入内存，构建页表，在PCB中记录页表存放在内存的首地址及页表长度。

1.运行某进程A时，将A进程PCB中的页表信息写入PTR中；

2.每执行一条指令时，根据分页计算原理，得到指令页号X和内部偏移量Y；

3.CPU高速访问PTR找到页表在哪里；

为防止错误检索，增加预先的判断：

• 计算得到的页号是否大于页表长度（即页表项数）

•一个5页的进程，页面编号0-4，若地址计算出的页号不在该范围，一定产生了越界错误。

4.查页表数据，得到X实际对应存放的物理块，完成地址映射计算，最终在内存找到该指令。

5）引入快表——针对访问速度问题

问题：基本分页机制下，一次指令需两次内存访问，处理机速度降低1/2，分页空间效率的提高以如此的速度为代价，得不偿失。

改进：减少第1步访问内存的时间。增设一个具有“并行查询”能力的高速缓冲寄存器，称为“快表”，也称“联想寄存器”（Associative

memory），IBM系统称为TLB（Translation Look aside Buffer）。

快表放什么？：正在执行进程的页表的数据项。

6）两级、多级页表，反置页表

——针对大页表占用内存问题

②多级页表

u64位操作系统下，两级仍然不足以解决页表过大问题时，可按同样道理继续分页下去形成多级页表。

③反置页表

每个进程一张页表→ 一张OS 反置页表 + 每进程一张外部页表

u反置页表（Inverted

Page Tale）：站在物理块的角度，记录占用它的已调入内存的进程标识和页号。系统中只需一张该表即可。一个64MB内存，若页面大小4KB（64M/4K=2^16=16K个物理块），反置页表占用64KB（16K*4B）

u进程外部页表（External

Page Table）：每个进程一张，记录进程不在内存中的那些页面所在的外存物理位置。

u如何提高检索反置页表速度：内存容量大时，反置页表的页表项还是会很大，利用进程标识符和页号去检索一张大的线性表很费时，可利用hash算法提高检索速度。

4.基本分段存储管理方式

u从提高内存利用率角度；

n固定分区 à动态分区à分页

u从满足并方便用户（程序员）和使用上的要求角度：

n分段存储管理：作业分成若干段，各段可离散放入内存，段内仍连续存放。

^方便编程：如汇编中通过段：偏移确定数据位置

^信息共享：同地位的数据放在一块方便进行共享设置

^信息保护

^动态增长：动态增长的数据段事先固定内存不方便

^动态链接：往往也是以逻辑的段为单位更方便

1）分段系统的基本原理

v程序通过分段(segmentation)划分为多个模块，每个段定义一组逻辑信息。如代码段（主程序段main，子程序段X）、数据段D、栈段S等。

v谁决定一个程序分几段，每段多大？

v编译程序（基于源代码）

u段的特点

n每段有自己的名字（一般用段号做名），都从0编址，可分别编写和编译。装入内存时，每段赋予各段一个段号。

n每段占据一块连续的内存。（即有离散的分段，又有连续的内存使用）

n各段大小不等。

3）分页和分段的主要区别

1.需求：分页是出于系统管理的需要，是一种信息的物理划分单位，分段是出于用户应用的需要，是一种逻辑单位，通常包含一组意义相对完整的信息。

一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。

2.大小：页大小是系统固定的，而段大小则通常不固定。分段没有内碎片，但连续存放段产生外碎片，可以通过内存紧缩来消除。相对而言分页空间利用率高。

3.逻辑地址：分页是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间；

                     分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。

4.其他：通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。分段模式下，还可针对不同类型采取不同的保护；按段为单位来进行共享

4）信息共享

分段系统的突出优点：

易于实现共享：

在分段系统中，实现共享十分容易，只需在每个进程的段表中为共享程序设置一个段表项。

比较课本图。对同样的共享内容的管理上，很明显分段的空间管理更简单。分页的图涉及太多的页面划分和地址记录的管理。

易于实现保护：

代码的保护和其逻辑意义有关，分页的机械式划分不容易实现。