操作系统存储管理之页式存储管理深入浅出

用分区方式管理的存储器，每道程序总是要求占用主存的一个或几个连续存储区域，作业或进程的大小仍受到分区大小或内存可用空间的限制,因此，有时为了接纳一个新的作业而往往要移动已在主存的信息。这不仅不方便，而且开销不小。采用分页存储器既可免去移动信息的工作，又可尽量减少主存的碎片。

分页式存储管理的基本原理如下：
1. 页框：物理地址分成大小相等的许多区,每个区称为一块(又称页框 page frame);
2. 页面：逻辑地址分成大小相等的区, 区的大小与块的大小相等,每个区称一个页面(page)。
3. 逻辑地址形式：与此对应，分页存储器的逻辑地址由两部分组成：页号和单元号。
用户进程在内存空间中的每个页框内的地址是连续的,但页框和页框之间的地址可以不连续
4. 页表和地址转换：在进行存储分配时，总是以块(页框)为单位进行分配，一个作业的信息有多少页，那么在把它装入主存时就给它分配多少块。但是，分配给作业的主存块是可以不连续的，即作业的信息可按页分散存放在主存的空闲块中，这就避免了为得到连续存储空间而进行的移动。

动态重定位技术

为了确保页式虚拟地址能正确地变换成页框物理地址，我们使用动态重定位技术。
程序的指令执行时作地址变换,由于程序段以页为单位,所以,我们给每个页设立一个重定位寄存器,这些重定位寄存器的集合便称页表(page table)

页表

• 页表中的每一栏指明了程序中的一个页面和分得的页框（块）的对应关系，每当选中作业运行时，应进行存储分配，为进入主存的每个用户作业建立一张页表，指出逻辑地址中页号与主存中块号的对应关系，页表的长度随作业的大小而定,具体如下图所示：
  
  

  假设逻辑地址为A，页面大小为L，则页号和页内地址为：
  页号=A/L
  页内地址=A%L
  下面展示了用户程序所占有的特定页，然后根据页号通过页表找到块号，再索引到实际物理内存位置的简略过程图：
  
  在这个过程里，我们省略了从页表到具体物理内存的索引原理，下面我们对此进行解析。

作业表

• 通常为了减少开销,不是用硬件,而是在主存中开辟存储区存放页表,系统中另设一个页表主存起址和长度控制寄存器(page table control register),存放当前运行作业的页表起址和页表长,以加快地址转换速度。
• 在建立页表同时，页式存储管理系统还建立一张作业表，将这些作业的页表进行登记，每个作业在作业 表中有一个登记项，它的结构如下所示：
  

重定位具体实现

借助于硬件的地址转换机构，在作业执行过程中按页动态定位。调度程序在选择作业后，从作业表的登记项中得到被选中作业的页表始址和长度，将其送入硬件设置的页表控制寄存器。地址转换时，只要从页表控制寄存器就可以找到相应的页表，再按照逻辑地址中的页号作索引查页表，得到对应的块号，根据关系式：
绝对地址 ＝ 块号×块长 + 单元号
计算出欲访问的主存单元的地址。因此，虽然作业存放在若干个不连续的块中，但在作业
执行中总是能按正确的地址进行存取。

总结过程，特定作业开始执行->从作业表登记项找到作业的页表始址和长度->通过页表寄存器找到对应页表->按逻辑地址页号作索引表，得到对应块号（实际物理地址)
下图给出了页式存储管理的地址转换和存储保护：

根据地址转换公式：块号×块长＋单元号，在实际进行地址转换时，只要把逻辑地址中的单元号作为绝对地址中的低地址部分，而根据页号从表中查得的块号作为绝对地址中的高地址部分，就组成了访问主存储器的绝对地址。
具体而言，即是将指令中的逻辑地址（p,d）取来从中得到逻辑页号(p)，硬件机构按此页号查页表，得到内存的块号B’，便形成绝对地址（B’,d）,处理器即按此地址访问主存。

下面我们可以通过下面的题目进一步理解页式存储：

1. 分页系统的页长为1KB，虚拟地址0x3C8F对应的页号为_,页内地址为_

   答：1KB = 8000b，转换为16进制，为0x400，则：
   页号=3C8F / 400 = 15，
   页内地址=3C8F % 400 = 8F

2. 在一个分页存储管理的系统中，页长为4KB，某一作业的页表如下所示，虚拟地址3000对应物理地址_，12000对应_。

   页号 页帧号 0 3 1 4 2 6

   3000对应的页号=3000/4096=0，页帧号为3（查表），
   页内地址=3000 % 4096=3000，对应的物理地址为3 * 4096 + 3000 = 15288
   12000对应的页号=12000 / 4096 = 2，页帧号为6（查表），
   页内地址=12000 % 4096 = 3808，对应的物理地址为6 * 4096 + 3808 = 28384

3. 某页式存储管理系统,页内地址为11位,逻辑地址总长度为16位,物理地址长度为32位.假设某作业的大小为5000字节,依次分配的页面为3,7,9.请画出页表,并简单叙述逻辑地址4500的地址转换过程

   答，页表如下：

   页号 页帧号 0 3 1 7 2 9

   页内地址为11位【块内地址（也叫块内位移）长度与页内地址相等 也是11位】 则每页大小为2^11=2KB 逻辑地址长16位 所以页号有16-11=5位 那么最多有2^5=32页。
   对于逻辑地址4500转换，0d4500 = 0b1000110010100 (13位)
   后面11位是页内地址那么页号就是前面的两位了 是0b10,也就是二进制的0d2,根据页表，对应的块号是9 转换成二进制即1001 即块号是1001,取逻辑地址后11位，与块号组合，得到物理地址：0b100100110010100=0d18836