【操作系统】段式存储中 逻辑地址转物理地址详细分析

前言

此题在考研408或者软考中 都很常见

1. 基本知识

段式存储(Segmented Memory) 是一种计算机操作系统中的存储管理方式，它将物理内存划分为不同的段（segments），每个段具有不同的大小和属性。每个段可以用来存储不同类型的数据或程序，这种方式有助于提高内存的管理和保护。

下面是段式存储的一些关键概念和特点：

• 段（Segment）：物理内存被划分为不同的段，每个段有唯一的标识符（段名或段号），并且可以具有不同的大小。每个段通常用于存储不同类型的数据或程序。

• 段描述符（Segment Descriptor）：每个段都有一个相应的段描述符，这个描述符包含了有关段的信息，如段的起始地址、长度、访问权限等。操作系统使用这些描述符来管理和控制段的访问。

• 段选择子（Segment Selector）：在实际的内存访问中，程序使用段选择子来标识要访问的段。段选择子包括段号和偏移量，用于计算访问物理内存中的具体位置。

• 段保护（Segment Protection）：每个段可以具有不同的访问权限，例如读取、写入、执行等。这有助于操作系统实施存储保护，以防止程序访问未授权的内存区域。

概念	优点	缺点
段式存储	1.更灵活的内存管理：允许不同大小和类型的段，有助于更好地适应不同的应用程序需求。 2.存储保护：可以实现不同级别的内存保护，以增加系统的稳定性和安全性。 3.更容易的共享和分离：不同程序或模块可以拥有自己的段，从而更容易进行内存共享或分离。	1.内存碎片：由于不同大小的段，可能会导致内存碎片化，降低内存利用率。 2.复杂性：管理多个段和描述符增加了内核的复杂性。

段式存储通常与其他内存管理技术，如分页式存储结合使用，以更好地满足不同应用的需求。这种混合内存管理方式被称为分段分页式内存管理，它克服了段式内存管理的一些限制，同时提供了更好的内存管理和保护。

具体操作流程：

当程序需要访问内存中的数据时，它首先会提供一个段选择子，这个选择子用于标识要访问的段。然后，操作系统会使用这个段选择子来查找段表，找到对应的段描述符。从段描述符中可以获取以下信息：

• 段的起始地址：这是段在物理内存中的起始位置。程序使用这个地址加上段内的偏移量来计算要访问的内存位置。

• 段的长度：这指定了段的大小。程序必须确保它的内存访问不会超出这个长度范围。

• 访问权限：段描述符包括了有关段的访问权限信息，如读取、写入、执行等。程序在访问内存时必须符合这些权限，否则访问将被拒绝。

至于访问内存的次数，这取决于程序的具体操作。在段式存储中，程序需要执行以下操作：

1. 通过段选择子查找段描述符，这通常需要一次内存访问。
2. 从段描述符中获取段的起始地址，长度和访问权限，这也需要一次内存访问。
3. 使用段起始地址和偏移量来计算要访问的内存位置。
4. 执行实际的内存读取或写入操作，这可能需要额外的内存访问。

所以，通常在段式存储中，访问内存需要至少两次内存访问（一次用于获取段描述符，一次用于实际的数据访问）。然而，这只是一个一般性的概念，实际情况可能因操作系统和硬件架构的细节而有所不同。

2. 地址转换

2.1 概念

逻辑地址到物理地址的转换是操作系统内存管理的核心任务。在段式存储和分页式存储这两种不同的内存管理方案中，逻辑地址转换物理地址的基本流程和注意事项略有不同。

一、分段式存储的逻辑地址转换：
基本流程：

• 程序中的指令和数据通常使用逻辑地址进行访问。逻辑地址由两个部分组成：段选择子和偏移量。
• 首先，通过段选择子查找段表，找到相应的段描述符。
• 从段描述符中获取段的起始地址和长度，以及访问权限。
• 将逻辑地址的偏移量与段的起始地址相加，得到物理地址。

注意事项：

• 检查访问权限：在计算物理地址之前，操作系统需要验证访问权限，确保访问不会越界或违反权限。如果访问权限不满足要求，将引发异常。
• 处理段不存在的情况：如果段不存在（即段选择子无效），则会引发段不存在的异常。
• 处理页故障：在某些分段分页式内存管理系统中，物理地址可能需要进一步转换，以访问页表。如果访问的页不在内存中，会引发页故障，需要进行页面置换等操作。

二、分页式存储的逻辑地址转换：
基本流程：

• 程序中的指令和数据使用逻辑地址进行访问，逻辑地址由两个部分组成：页号和页内偏移量。
• 通过页号查找页表，获取对应页的物理页框号。
• 将物理页框号与页内偏移量组合，得到物理地址。

注意事项：

• 页表管理：操作系统需要维护页表，以跟踪逻辑页号到物理页框号的映射关系。这涉及到页表的创建、维护、清除等操作。
• 页故障：如果要访问的页不在内存中，将引发页故障，需要执行页面置换或从磁盘加载页面等操作。
• 页大小问题：页的大小对内存管理和性能有重要影响。较小的页可以减少内部碎片，但可能导致更多的页表项；较大的页可能导致更多的外部碎片，但减少页表项。页大小的选择需要仔细权衡。

不管是分段式存储还是分页式存储，逻辑地址到物理地址的转换是操作系统核心功能之一。这个过程需要确保内存访问的合法性、提供隔离性、确保数据完整性，同时也需要优化性能以减少地址转换的开销。

2.2 例题

假设系统采用段式存储管理方法，进程P的段表如下所示：

段号	基地址	段长
0	1100	800
1	3310	50
2	5000	200
3	4100	580
4	2000	100

以下逻辑地址不能转换为物理地址的是：
A. （0,790）和（2,88）
B.（1,30）和（3,290）
C.（2,88）和（4，98）
D. （0,810）和（4,120）

---

解析：

给定段地址（X，Y），X为段号，Y为段内地址

根据X段号，查询段长，

1. 如果大于段长，则越界；
2. 如果小于段长，则物理地址 = 基地址 + 段内地址