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1、4.3 分页存储管理 可变分区存储管理的缺点在可变分区存储管理系统中，要求一个作业必须全部装入内存某一连续区域内才能运行。经过系统一段时间的运行，随着多个作业的装入与完成，内存中容易产生许多分散的、分区与分区之间的碎片（外碎片）。 对可变分区存储管理缺陷的补救措施解决上述问题的方法是采用“紧凑技术”，但“紧凑技术”会占用较多的处理机时间，同时紧凑操作的时机也不易把握。, 引入分页存储管理技术为此，考虑另一种解决方法，即打破一个作业必须一次性全部装入内存连续区域的限制。把一个作业分配到几个不连续的区域内，不需要移动内存原有的数据，就可有效地解决碎片问题。这一思想的应用就是分页式存储管理。分页式存
2、储管理是大型机操作系统中广泛采用的一种存储管理方案。,4.3.1 分页原理 1. 对主存地址空间进行划分把主存空间分成大小相等、位置固定的若干小分区，每个分区称为一个“存储块”，简称“块(Block)，并依次编号为0，1，2，3,，m块。每“块”的大小由不同的系统决定，一般为2的n次幂，如1KB，2KB，4KB等，但一般不超过4KB。 2. 对逻辑地址空间进行划分把用户的逻辑地址空间分成大小相等的若干“页(Page)，并依次编号为0，1，2，3，n页。,3. 逻辑页和物理块间的关系及分配方法 （1）逻辑页和物理块的对应关系当作业提出存储分配请求时，系统首先根据存储块大小把作业分成若干页，每一页
3、可存储在内存的任意一个空白块内，即“作业的非连续分配”。 （2）逻辑页和物理块对应的机构利用“动态地址重定位技术”，建立程序的逻辑页和内存的存储块之间的对应关系，使原本连续的用户作业分散在不连续存储块中，使其能正常投入运行。,4. 页面变换表和页面变换地址寄存器 （1）页面变换表（Page Mapping Table - PMT）在内存中，为每个作业开辟一块特定区域，建立一张作业的逻辑页与主存的存储块之间的对应表格关系。这种对应表称为“页面映象表”，简称页表。 （2）页面变换地址寄存器（PMT Address Register）每个作业都有一个页面变换表，通常各个作业的页面变换表被存放在操作系
4、统的一个工作区中，而由页面变换地址寄存器指出各个作业页面变换表的起始地址。,4. 逻辑地址空间、PMT和物理地址空间的对应关系图,操作系统,作业2(0页),作业2(1页),作业1(0页),作业1(1页),作业2(2页),作业3(0页),逻辑地址空间,物理地址空间,页面变换表,4.3.2 地址变换机构（Address Translation） 1.逻辑地址结构逻辑地址由硬件分成两部分：页号P和页内地址W （页内偏移量）。逻辑地址的划分是由系统自动进行的，对用户是透明的。页内地址的长度是由页大小决定的，逻辑地址中页内地址占用的低位部分，高位部分为页号。,假定一个系统的逻辑地址为16位，页面大小为1
5、KB，则逻辑地址的低10位（210=1KB），被解释成页 内地址W，而高6位则为页号P，地址结构如下：,15,10,0,2.动态地址变换机构（DAT：Dynamic AT）现假设计算机系统中有如下指令：L R1, D2 ( X2, B2 )其中，X2、B2、D2 分别为第二操作数中使用的变址寄存器、 基址寄存器和位移量， R1 是第一操作数的通用寄存器。 其指令格式为：,0 7 8 11 12 15 16 19 20 31,该指令的有效地址为 24 位。因此，逻辑地址空间最大可达 224=16 MB。现在假设页面大小为 4 KB，逻辑地址空间最多有 4096 个页面，每个页面 4096 个字节
6、。则 24 位的有效地址被划分为两部分，前 12 位为页号，后 12 位为页内地址。如下图所示：,0 7 8 19 20 31,动态地址变换机构自动地将所有地址划分为页号和页内地址两部分。再利用PMT表将页号代之以块号，就得到了需要的物理存储地址。假定：现有 作业2 第0页 上的一条取数指令LR1，D2( X2， B2 )，CPU产生一个有效地址为：,0 7 8 19 20 31,下图为在动态地址变换机构下的地址重定位情况：,有效地址,（2） 0000 0000 0010,（144） 0000 1001 0010,页号,页内地址,页面变换表,（7） 0000 0000 0111,（144） 0
7、000 1001 0010,3.高速页面变换寄存器 （1）引入高速页面变换寄存器的原因为了提高从作业地址空间到物理地址空间的变换 速度，可采用硬件的高速寄存器来实现。同时，因为任一时刻在处理机中只有一个作业在执行，所以只需要一组高速寄存器就可满足要求。,（2）高速页面变换寄存器的具体使用情况假定页面大小为4KB，对于一个100KB的作业来说 ，需要25个高速寄存器。由于高速寄存器的硬件成本比较高，所以它适用于地址空间小的作业。如果系统中的作业大小都在64KB以下，那么只需要16个寄存器就够了，每个寄存器的位数可根据主存的最大存储块号确定。,在多道程序环境下，当处理机把控制转移到另一新作业时，应
8、保存原作业的寄存器内容并重置相应新作业的寄存器内容(存储块号)。,4.联想寄存器 （1）采用页面变换表和高速寄存器的不足作业在执行过程中，每条指令的执行都必须进行地址变换。页面变换表的引入决定了：每条指令必须访问主存两次。第一次把页号变成物理块号，第二次根据物理块号实际存取所需的数据或指令。这样做的结果是，增加了指令执行的机器时间，降低了计算机的执行速度。,如果采用高速寄存器，当用户作业地址空间较大时，又会需要大量的寄存器资源，导致硬件开销较大。 （2）使用联想寄存器为了加快地址映射的速度，又不增加过多的硬件开销，利用少量寄存器及其管理机构构成较小的寄存器，称为“联想寄存器或快表”。,快表中，
9、存放当前正在运行的最常用、最近的作业的页号和块号。在进行逻辑页和物理块的映射时，现在快表中进行查找，如果能够进行映射则完成地址映射，如果不能完成，再从页面变换表中进行查询。这样，就保证了最近一段时间内被访问的作业，可以不需要每次都进行新一轮的地址映射，大大节省了时间开销，也节省了硬件开销。如后图所示。,逻辑地址,联想存储器,物理地址,页表,2,1,1,3,2,快表查找 页表查找 页表中查找到的页号、块号更新快表,图：采用快表和页表相结合的分页地址变换过程示意图,4.3.3 分页管理的存储保护分页式存储管理中的存储信息保护可从两个方面实现。（1）一个方面是在进行地址变换时，产生的页号应小于页表长
10、度，否则视为越界访问，这类似于基址 - 限长存储保护。（2）在页表中增加存取控制和存储保护的信息，对每一个存储块，可允许四种保护方式：, 禁止做任何操作； 只能执行； 只能读； 能读/写。当要访问某页时，先判断该页的存取控制和存储保护信息是否允许。添加了存取控制信息的页表表项如下所示：,4.3.4 分页存储管理方案的评价,(1) 采用动态地址变换会增加计算机成本和降低处理 机的速度。 (2) 各种表格要占用一定容量的主存空间， 而且还 要花费一部分处理机时间用来建立和管理这些表 格。 (3) 虽然碎片消除了，但每个作业的最后一页一般都有不能充分利用的空白区。 (4) 存储扩充问题仍未得到解决。,
