趙剛

【摘 要】該文提出了一種不連續(xù)分配內(nèi)存的方式——分頁式存儲管理，并且討論了它的基本思想和地址轉(zhuǎn)換，最后提出了該存儲管理的缺點。

【關鍵詞】分頁式存儲管理；物理地址；邏輯地址；地址重定位；頁表；快表

【Abstract】This paper proposes a way to allocate memory discrete - page memory management， and discusses its basic ideas and address translation. Finally， the shortcomings of the storage management.

【Key words】Page memory management；Physical address；Logical address；The relocation；Page table；Fast table

存儲管理是操作系統(tǒng)五大功能之一，是操作系統(tǒng)的重要課題。在存儲管理中，連續(xù)分配方式會產(chǎn)生許多“碎片”，而這些“碎片”空間很小，無法容納相關作業(yè)。通常通過“緊湊”方法，移動程序可以將許多“碎片”拼接成可用的大塊空間，但是通過“緊湊”方法，移動程序增加了系統(tǒng)的開銷。如果允許將作業(yè)直接分散地裝入到許多不相鄰、不連續(xù)的分區(qū)中，則無須再進行“緊湊”。基于這一思想而產(chǎn)生了離散分配方式，分頁式存儲管理就是其中的一種。

1. 分頁式存儲管理的基本思想

物理地址是內(nèi)存儲器中的實際有效地址，邏輯地址用是戶程序中使用的地址，也就是訪內(nèi)指令給出的地址叫邏輯地址。

1.1 分頁存儲管理允許把一個作業(yè)存放到若干不相鄰、不連續(xù)的分區(qū)中，這樣既可免去移動信息所造成的系統(tǒng)開銷，又可盡量減少內(nèi)存產(chǎn)生碎片，其基本思想是：

（1）把物理地址空間分成大小相等的許多分區(qū)，每個分區(qū)稱為“塊”或“幀”，每個塊有一個編號，從“0”開始編號，塊是存儲分配的單元；

（2）按塊的大小把邏輯地址空間分成許多“頁”，從“0”開始編號；

（3）邏輯地址形式： 作業(yè)的邏輯地址與一個數(shù)對（頁號，頁內(nèi)位移）一一對應；

（4）采用分頁式存儲管理，作業(yè)一次性全部裝入內(nèi)存，作業(yè)進入內(nèi)存時其連續(xù)的頁面可以裝入內(nèi)存中不相鄰、不連續(xù)的塊中，只要內(nèi)存有空閑塊，作業(yè)的某一頁可以放到內(nèi)存任一空閑塊。

1.2 例如：用戶作業(yè)A的大小為3KB，內(nèi)存塊的大小為1KB，當作業(yè)提交給系統(tǒng)后被分成了3頁，如圖1（a）所示，根據(jù)圖1（c）頁表（頁與塊的對應關系），作業(yè)A被裝進了內(nèi)存不相鄰、不連續(xù)塊中，如圖1（b）所示。

2. 頁面的大小

在分頁存儲管理中的頁面的大小要適中。頁面如果太小，雖然可以使內(nèi)存碎片減小，減少了內(nèi)存碎片的總空間，有利于提高內(nèi)存利用率，但也會使每個作業(yè)占用較多的頁面，從而導致作業(yè)的頁表過長，占用大量內(nèi)存，此外，還會降低頁面換進換出的效率；頁面如果較大，雖然可以減少頁表的長度，提高頁面換進換出的速度，但卻又會使頁內(nèi)碎片增大，降低內(nèi)存利用率（分頁存儲管理的實現(xiàn)見圖1）。

3. 分頁式存儲管理的地址轉(zhuǎn)換

3.1 頁表與快表。

（1）分頁系統(tǒng)中，將作業(yè)的各個頁面離散地存儲在內(nèi)存不連續(xù)的物理塊中，系統(tǒng)應能保證進程的正確運行，即能在內(nèi)存中找到每個頁面所對應的物理塊。為此，系統(tǒng)為每個作業(yè)建立了一張頁面映像表，簡稱頁表。配置了頁表后，作業(yè)執(zhí)行時，通過查找頁表，找到每頁在內(nèi)存中的物理塊號。頁表的作用是實現(xiàn)從頁號到物理塊號的地址映射。

（2）由于頁表是存放在內(nèi)存中，CPU在每存取一個數(shù)據(jù)時，都要兩次訪問內(nèi)存。第一次是訪問內(nèi)存中的頁表，從中找到指定頁的物理塊號，再將塊號與頁內(nèi)位移拼接，以形成物理地址。第二次訪問內(nèi)存時，才是從第一次所得地址中獲得所需數(shù)據(jù)（或向此地址中寫入數(shù)據(jù)）。因此，采用這種方式將降低CPU訪問速度，增加了系統(tǒng)在存儲上的開銷。為了提高地址變換速度，可在地址變換機構(gòu)中增設一個具有并行查尋能力的特殊高速緩沖寄存器，又稱為“聯(lián)想寄存器”（Associative Memory），或稱為“快表”，地址變換過程是：在CPU給出有效地址后，由地址變換機構(gòu)自動地將頁號送入高速緩沖寄存器，并將此頁號與高速緩存中的所有頁號進行比較，若其中有與此相匹配的頁號，便表示所要訪問的頁表項在快表中。于是，可直接從快表中讀出該頁所對應的物理塊號，并送到物理地址寄存器中。如在塊表中未找到對應的頁表項，則還須再訪問內(nèi)存中的頁表，找到后，把從頁表項中讀出的物理塊號送地址寄存器，同時，再將此頁表項存入快表的一個寄存器單元中，重新修改快表。

3.2 地址重定位。

地址重定位指把目標程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換成主存空間的物理地址，分頁式存儲管理采用的是動態(tài)重定位，程序在執(zhí)行時過程中動態(tài)完成地址重定位，需要硬件的支持，地址轉(zhuǎn)換過程如下：

（1）作業(yè)的邏輯地址轉(zhuǎn)換成頁號，頁內(nèi)位移兩部分，頁號=邏輯地址/塊尺寸，頁內(nèi)位移=邏輯地址%塊尺寸（“/”是整除運算符，“%”是求余運算符）；

（2）以頁號為索引去檢索頁表，在執(zhí)行檢索之前，先將頁號與頁表長度進行比較，如果頁號大于或等于頁表長度，表示本次所訪問的地址已超越作業(yè)的地址空間，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個地址越界中斷，如果沒有出現(xiàn)越界錯誤，通過查找頁表，找到頁號對應的塊號；

（3）塊號*塊尺寸+頁內(nèi)位移得到物理地址，這樣完成從邏輯地址到物理地址的變換。

3.3 舉例分析。

3.3.1 分頁系統(tǒng)中內(nèi)存被劃分成4塊，每塊4KB，某作業(yè)的邏輯地址空間共劃分成4個頁面，當前頁與塊對應關系表（頁表）如表1所示，試求出對應于下列邏輯地址的物理地址：（a）4100（b）8300。（見表1）

3.3.2 解：（a）邏輯地址4100對應的頁號是：4100/4096=1 ，對應的頁內(nèi)位移是：4100%4096=4，用1去查頁表，知道第1頁現(xiàn)在存放在內(nèi)存的第1塊，第1塊的起始地址為4096（4KB），因此，邏輯地址4100所對應的物理地址是：4096+4=4100；

（b）虛擬地址8300對應的頁號是：8300/4096=2，對應的頁內(nèi)位移是：8300%4096=108，用2去查頁表，知道第2頁現(xiàn)在存放在內(nèi)存的第6塊，第6塊的起始地址為6×4K=24576，因此，邏輯地址8300所對應的物理地址是24576+108=24684。

4. 分頁式存儲管理的缺點

（1）分頁式存儲管理中，作業(yè)的最后一頁大小可能與內(nèi)存塊大小不吻合，會產(chǎn)生內(nèi)部碎片，浪費內(nèi)存空間；

（2）分頁式存儲管理中，作業(yè)需要一次性全部裝入內(nèi)存，當作業(yè)尺寸大于內(nèi)存剩余空間時，作業(yè)無法進入內(nèi)存運行，因此，分頁式存儲管理不具備虛擬存儲技術。

參考文獻

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[文章編號]1619-2737（2015）07-29-027