分頁管理教案

1、4.3 分頁存儲(chǔ)管理 可變分區(qū)存儲(chǔ)管理的缺點(diǎn) 在可變分區(qū)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，要求一個(gè)作業(yè)必須全部裝入內(nèi)存某一連續(xù)區(qū)域內(nèi)才能運(yùn)行。 經(jīng)過系統(tǒng)一段時(shí)間的運(yùn)行，隨著多個(gè)作業(yè)的裝入與完成，內(nèi)存中容易產(chǎn)生許多分散的、分區(qū)與分區(qū)之間的碎片（外碎片）。 對可變分區(qū)存儲(chǔ)管理缺陷的補(bǔ)救措施 解決上述問題的方法是采用“緊湊技術(shù)”，但“緊湊技術(shù)”會(huì)占用較多的處理機(jī)時(shí)間，同時(shí)緊湊操作的時(shí)機(jī)也不易把握。1 引入分頁存儲(chǔ)管理技術(shù) 為此，考慮另一種解決方法，即打破一個(gè)作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存連續(xù)區(qū)域的限制。 把一個(gè)作業(yè)分配到幾個(gè)不連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，不需要移動(dòng)內(nèi)存原有的數(shù)據(jù)，就可有效地解決碎片問題。這一思想的應(yīng)用就是分頁式存儲(chǔ)管理

2、。 分頁式存儲(chǔ)管理是大型機(jī)操作系統(tǒng)中廣泛采用的一種存儲(chǔ)管理方案。24.3.1 分頁原理1. 對主存地址空間進(jìn)行劃分 把主存空間分成大小相等、位置固定的若干小分區(qū)，每個(gè)分區(qū)稱為一個(gè)“存儲(chǔ)塊”，簡稱“塊(Block)，并依次編號為0，1，2，3,，m塊。 每“塊”的大小由不同的系統(tǒng)決定，一般為2的n次冪，如1KB，2KB，4KB等，但一般不超過4KB。2. 對邏輯地址空間進(jìn)行劃分 把用戶的邏輯地址空間分成大小相等的若干“頁(Page)，并依次編號為0，1，2，3，n頁。33. 邏輯頁和物理塊間的關(guān)系及分配方法（1）邏輯頁和物理塊的對應(yīng)關(guān)系 當(dāng)作業(yè)提出存儲(chǔ)分配請求時(shí)，系統(tǒng)首先根據(jù)存儲(chǔ)塊大小把作業(yè)分成

3、若干頁，每一頁可存儲(chǔ)在內(nèi)存的任意一個(gè)空白塊內(nèi)，即“作業(yè)的非連續(xù)分配”。（2）邏輯頁和物理塊對應(yīng)的機(jī)構(gòu) 利用“動(dòng)態(tài)地址重定位技術(shù)”，建立程序的邏輯頁和內(nèi)存的存儲(chǔ)塊之間的對應(yīng)關(guān)系，使原本連續(xù)的用戶作業(yè)分散在不連續(xù)存儲(chǔ)塊中，使其能正常投入運(yùn)行。44. 頁面變換表和頁面變換地址寄存器（1）頁面變換表（Page Mapping Table - PMT） 在內(nèi)存中，為每個(gè)作業(yè)開辟一塊特定區(qū)域，建立一張作業(yè)的邏輯頁與主存的存儲(chǔ)塊之間的對應(yīng)表格關(guān)系。這種對應(yīng)表稱為“頁面映象表”，簡稱頁表。（2）頁面變換地址寄存器（PMT Address Register） 每個(gè)作業(yè)都有一個(gè)頁面變換表，通常各個(gè)作業(yè)的頁面變換表

4、被存放在操作系統(tǒng)的一個(gè)工作區(qū)中，而由頁面變換地址寄存器指出各個(gè)作業(yè)頁面變換表的起始地址。54. 邏輯地址空間、PMT和物理地址空間的對應(yīng)關(guān)系圖01KB2KB3KB4KB5KB6KB7KB8KB9KB10KB01KB2KB作業(yè)101KB2KB3KB作業(yè)201KB作業(yè)3頁號塊號015608012274操作系統(tǒng)作業(yè)2(0頁)作業(yè)2(1頁)作業(yè)1(0頁)作業(yè)1(1頁)作業(yè)2(2頁)作業(yè)3(0頁)邏輯地址空間物理地址空間頁面變換表64.3.2 地址變換機(jī)構(gòu)（Address Translation）1.邏輯地址結(jié)構(gòu) 邏輯地址由硬件分成兩部分：頁號P和頁內(nèi)地址W（頁內(nèi)偏移量）。 邏輯地址的劃分是由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)

5、行的，對用戶是透明的。 頁內(nèi)地址的長度是由頁大小決定的，邏輯地址中頁內(nèi)地址占用的低位部分，高位部分為頁號。7 假定一個(gè)系統(tǒng)的邏輯地址為16位，頁面大小為1KB，則邏輯地址的低10位（210=1KB），被解釋成頁內(nèi)地址W，而高6位則為頁號P，地址結(jié)構(gòu)如下： 頁號P(6位) 頁內(nèi)地址W(10位)1510082.動(dòng)態(tài)地址變換機(jī)構(gòu)（DAT：Dynamic AT） 現(xiàn)假設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有如下指令： L R1, D2 ( X2, B2 ) 其中，X2、B2、D2 分別為第二操作數(shù)中使用的變址寄存器、 基址寄存器和位移量， R1 是第一操作數(shù)的通用寄存器。 其指令格式為： LR1X2B2D20 7 8 11

6、12 15 16 19 20 319 該指令的有效地址為 24 位。因此，邏輯地址空間最大可達(dá) 224=16 MB。 現(xiàn)在假設(shè)頁面大小為 4 KB，邏輯地址空間最多有 4096 個(gè)頁面，每個(gè)頁面 4096 個(gè)字節(jié)。則 24 位的有效地址被劃分為兩部分，前 12 位為頁號，后 12 位為頁內(nèi)地址。如下圖所示： 0 7 8 19 20 31 10 動(dòng)態(tài)地址變換機(jī)構(gòu)自動(dòng)地將所有地址劃分為頁號和頁內(nèi)地址兩部分。 再利用PMT表將頁號代之以塊號，就得到了需要的物理存儲(chǔ)地址。 假定：現(xiàn)有 作業(yè)2 第0頁 上的一條取數(shù)指令 LR1，D2( X2， B2 )，CPU產(chǎn)生一個(gè)有效地址為： 0 7 8 19 20

7、 31 11下圖為在動(dòng)態(tài)地址變換機(jī)構(gòu)下的地址重定位情況：有效地址LR1B2D2X2（2）0000 0000 0010（144）0000 1001 0010頁號頁內(nèi)地址頁號塊號頁面變換表（7）0000 0000 0111（144）0000 1001 0010(塊6)(塊8)(塊7)144247012255123.高速頁面變換寄存器（1）引入高速頁面變換寄存器的原因 為了提高從作業(yè)地址空間到物理地址空間的變換速度，可采用硬件的高速寄存器來實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，因?yàn)槿我粫r(shí)刻在處理機(jī)中只有一個(gè)作業(yè)在執(zhí)行，所以只需要一組高速寄存器就可滿足要求。13（2）高速頁面變換寄存器的具體使用情況 假定頁面大小為4KB，對

8、于一個(gè)100KB的作業(yè)來說，需要25個(gè)高速寄存器。 由于高速寄存器的硬件成本比較高，所以它適用于地址空間小的作業(yè)。 如果系統(tǒng)中的作業(yè)大小都在64KB以下，那么只需要16個(gè)寄存器就夠了，每個(gè)寄存器的位數(shù)可根據(jù)主存的最大存儲(chǔ)塊號確定。14 在多道程序環(huán)境下，當(dāng)處理機(jī)把控制轉(zhuǎn)移到另一新作業(yè)時(shí)，應(yīng)保存原作業(yè)的寄存器內(nèi)容并重置相應(yīng)新作業(yè)的寄存器內(nèi)容(存儲(chǔ)塊號)。 154.聯(lián)想寄存器（1）采用頁面變換表和高速寄存器的不足 作業(yè)在執(zhí)行過程中，每條指令的執(zhí)行都必須進(jìn)行地址變換。頁面變換表的引入決定了：每條指令必須訪問主存兩次。第一次把頁號變成物理塊號，第二次根據(jù)物理塊號實(shí)際存取所需的數(shù)據(jù)或指令。 這樣做的結(jié)果

9、是，增加了指令執(zhí)行的機(jī)器時(shí)間，降低了計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度。16 如果采用高速寄存器，當(dāng)用戶作業(yè)地址空間較大時(shí)，又會(huì)需要大量的寄存器資源，導(dǎo)致硬件開銷較大。（2）使用聯(lián)想寄存器 為了加快地址映射的速度，又不增加過多的硬件開銷，利用少量寄存器及其管理機(jī)構(gòu)構(gòu)成較小的寄存器，稱為“聯(lián)想寄存器或快表”。 17 快表中，存放當(dāng)前正在運(yùn)行的最常用、最近的作業(yè)的頁號和塊號。在進(jìn)行邏輯頁和物理塊的映射時(shí)，現(xiàn)在快表中進(jìn)行查找，如果能夠進(jìn)行映射則完成地址映射，如果不能完成，再從頁面變換表中進(jìn)行查詢。 這樣，就保證了最近一段時(shí)間內(nèi)被訪問的作業(yè)，可以不需要每次都進(jìn)行新一輪的地址映射，大大節(jié)省了時(shí)間開銷，也節(jié)省了硬件開銷。

10、如后圖所示。 18aPWbw邏輯地址聯(lián)想存儲(chǔ)器物理地址 頁表21132快表查找 頁表查找 頁表中查找到的頁號、塊號更新快表 圖：采用快表和頁表相結(jié)合的分頁地址變換過程示意圖194.3.3 分頁管理的存儲(chǔ)保護(hù) 分頁式存儲(chǔ)管理中的存儲(chǔ)信息保護(hù)可從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。 （1）一個(gè)方面是在進(jìn)行地址變換時(shí)，產(chǎn)生的頁號應(yīng)小于頁表長度，否則視為越界訪問，這類似于基址 - 限長存儲(chǔ)保護(hù)。 （2）在頁表中增加存取控制和存儲(chǔ)保護(hù)的信息，對每一個(gè)存儲(chǔ)塊，可允許四種保護(hù)方式：20 禁止做任何操作； 只能執(zhí)行； 只能讀； 能讀/寫。 當(dāng)要訪問某頁時(shí)，先判斷該頁的存取控制和存儲(chǔ)保護(hù)信息是否允許。添加了存取控制信息的頁表表項(xiàng)如下所示：頁號塊號存取控制信息2