本文以32位操作系统为例来介绍存储器/内存管理--分页存储管理方式。
在此方式下,操作系统会将用户程序的地址(逻辑地址)空间分为若干个固定大小区域,称为“页”或“页面”。相应地,操作系统也会将内存空间(物理地址)划分为若干个物理块或页框,当然,页和块的大小应该相同,这样就可以将一个页存储在一个物理块中了。
页面和物理块两个概念
页面:在分页存储管理方式中,操作系统会将进程的逻辑地址空间分成若干个页,并加以编号,每一个编号代表一个页或者页面。
物理块:在内存的物理地址空间分成若干个块,也为每个块加以编号,每一个编号代表着一个物理块或者页框。
页面大小的选择
由于进程的最后一页通常是装不满的,从而形成了不可利用的碎片,这里称为“页内碎片”。如果页/页面的大小选择过大,则会造成最后一页的页内碎片较大,内存利用率不高。如果页/页面大小选择过小,则会造成进程的页表(下面将介绍)过长,页表将占用大量的内存,同样也会降低页面的换入换出的效率。因此,页/页面的大小应该选择适中,通常为1--8KB。
分页管理方式中逻辑地址的地址结构
逻辑地址将分为两部分,第一部分为页号P,对应着所在的页/页面;第二部分为偏移量W,对应着所在页的页内地址。上图中偏移量对应着低12位,所以每一个页/页面的大小为4KB,12--31位中共20位对应着页号的地址空间,所以地址空间最多允许有1M(1024*1024)个页。
以上是以4KB为页/页面大小的例子,其他页/页面大小可以用此方式类推。
若给定一个逻辑地址空间中的地址A,页面的大小为L,则可以计算出页号P和页内地址d,计算过程如下:
P = INT [A/L], d = [A] MOD L;
其中INT为取整,MOD为取余。
页表:实现从页号到物理块号的地址映射(转换)
所以在页表中有两项数据,页号和块号,页号和块号是一一对应的,操作系统通过页号,可以找到相应的物理地址的块号,实现了从逻辑地址到物理地址的转换。
地址变换过程:将逻辑地址的页号转换为内存中的物理块号。
页表寄存器(Page-Table Register,PTR),当进程执行时,进程中PCB的页表始址和长度就会存放到页表寄存器中,当程序要访问某页号时,首先会判断页号是否越界了,就是判断是否超出了页表项的大小,接着按照页表寄存器中的地址到内存中找到页表,然后再根据页表找到页号对应的块号,再根据页内地址,找到对应物理地址中的数据。
两级页表
页表结构
两级页表地址变换机构