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  • 分页存储管理的基本方法 页面:将进程的逻辑地址空间分成若干页,并进行标号:第0页、第1页...将内存的物理地址空间分成若干块,并进行标号:0#块,1#块...进程分配内存时,以块为单位,将进程若干页装入多个不...

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    分页存储管理的基本方法

    • 页面:
      • 将进程的逻辑地址空间分成若干页,并进行标号:第0页、第1页...
      • 将内存的物理地址空间分成若干块,并进行标号:0#块,1#块...
      • 进程分配内存时,以块为单位,将进程若干页装入多个不相邻的物理块中。
      • 进程最后一页剩余的空间,被称为“页内碎片”
    • 页面大小:
      • 页面过大,可以减少页表长度,提高页面交换速度,但会使页内碎片增大。
      • 页面过小,可以减少业内碎片大小,提高内存利用率,但会导致页表过长,占用大量内存,降低交换效率。
      • 页面大小应为2的幂次方,通常为1KB~8KB。
    • 地址结构:
      • 包含页号P与偏移量W,在32位逻辑地址空间中,页号一般占20位,偏移量占12位。
      • 页号:
        • 页号若有20位,则地址空间最多分成220,即1M页。
      • 偏移量:
        • 也称位移量,是页内地址。
        • 偏移量有12位,则一页的大小为212,即4KB。
      • 若知道逻辑空间地址A,与页面大小L,则:
        • 页号P为:[A/L](整除,向下取整)。
        • 偏移位W为:[A] mod L。
        • 如,A为2170B,L为1KB,则P=2,W=122,第三页,页号为2,偏移位为122。
    • 页表:
      • OS为各进程建立的页面映像表,将页号与块号对应起来。
      • 表项中的存取控制字段,如果为1位,是读写/无权限,如果是2位,是读写/读/执行等。
      • 写入只读的存储块时,将引起中端。

    地址变换机构

    • 借助页表,实现逻辑地址到物理地址的转换。
    • 由于页内地址与物理地址对应,因此只要将逻辑地址中页号转为内存中物理块号即可。
    • 基本的地址变换方式:
      • 实现方式:
        • 使用专门寄存器实现。
        • 页表存放在内存中。
          • 存放在寄存器会需要很多寄存器,成本高,因此存放于内存中。
        • 用页表寄存器(Page-Table Register, PTR)存放页表在内存中的起始地址与长度。
        • 页表始址与长度存在PCB中,仅在调度到本程序时才将其装入PTR。
        • 单处理机环境下,通过一个PTR即可运行多个进程。
      • 实现过程:
        • 进程访问某逻辑地址的数据时,分页地址变换机构将有效地址(相对地址)分为页号与页内地址,再以页号索引检索页表。
        • 查找由硬件执行,检索前:
          1. 将页号与页表长度进行比较,页号≥页表长度,则产生地址越界中断。
          2. 若未越界,则将页表始址与页号和页表项长度的乘积相加,得到该表项在页表中的位置。
          3. 从中得到该页物理块号,装入物理地址寄存器中。
          4. 同时,将有效地址寄存器直接跑每个页内地址送入物理地址寄存器的块内地址字段中。
        • 本过程于P150有图示。
    • 具有块表的地址变换机构:
      • 基本地址变换机构在进程访问内存时,第一次需要将逻辑地址转为物理地址,第二次访问时才能获取数据,虽然提高了存储器空间利用率,但将计算机的处理速度降低了一半。
      • 在基本地址变换机构中,增加一个具有并行查询能力的特殊高速缓冲寄存器,又称为“联想寄存器”(Associative Memory),或“快表”,在IBM系统中又被称为TLB(Translation Look aside Buffer)。
      • TLB用来存放当前访问的页表项。
      • 在进行检索时,先检索TLB中是否存有该页号对应的物理块号,若无,再检索内存中的页表。
      • 当TLB满时,OS需要找到一个存在时间长且被认为不再需要的页表项,与新的页表项对换。
      • 由于成本问题,TLB一般只存放16~512个页表项,但已能满足大部分需求,将基本地址变换机构造成的速度损失降低至10%。

    访问内存的有效时间

    • 内存的有效访问时间(Effective Access Time, EAT):从进程发出逻辑地址访问请求,经过地址变换,到内存物理块中取出数据的时间。
    • 基本地址变换机构EAT:EAT = t+t = 2t。
      • 两个t分别为查表的时间,与获取数据的时间。
    • 快表的地址变换机构EAT:EAT = a*m + (t+m)(1-a) = 2t + m - t*a
      • 其中,a为查找命中率,m为快表查询时间。
      • 查找命中率,是查找TLB表时成功的几率,当成功时,无需在内存中查询页表。

    两级和多级页表

    • 为了解决页表占据连续的大内存空间问题,可采用两种办法:
      • 页表离散存储。
      • 仅在内存中保留当前需要的页表。
    • 两级页表(Two-Level Page Table):
      • 实现页表离散存储。
      • 用外层页表(Outer Page Table)作为离散分配页表的页表。
      • 结构为:外层页号-外层业内地址-页内地址。
      • 将页表再进行分页,使得每个页面与物理块大小相同,并为其标号:0#页、1#页...,之后可将各页面离散的存储在不同物理块中。
      • 以32位逻辑地址空间为例,页表大小为12位时:
        • 采用一级页表结构,具有20位的页号,即1M个页表。
        • 采用两级页表,若每页包含10位页表项,则外层页号为10位。
      • P153页有图示。
      • 个人的理解:
        • 外层页内地址,存放在物理块中,并指向内存空间中的不同地址。
        • 外层页号保存的是物理块的地址。
        • 即,检索时,先在外层页表找到外层页内地址存放的物理块,再从物理块中找到内存物理地址。
    • 多级页表:
      • 对于32位机器,二级页表已经够用。
      • 但对于64位机器,页面大小为12位时,还有52位的空间,若与32位机器一样,用10位划分页表,则还有42位用于外层页号,过于庞大。
      • 对外层页表再分页,形成多级页表,即可避免上述问题。
      • 现代64位机器中,一般将可直接寻址的存储器空间减少至45位,再使用三级页表结构实现分页存储管理。

    反置页表

    • 概念:
      • 一般的页表是按页号排序的,页表项内容是物理块号。
      • 反置页表是为每一个物理块设置一个页表项,按物理块编号排序,页表项内容是页号及其隶属进程标识符。
      • 在IBM公司推出的系统中广泛使用,如AS/400、IBM RISC System、IBM RT等。
    • 地址变换:
      • 根据进程标识符与页号,检索反置页表,若找到,则其序号就是物理块号。
      • 若检索不到,则表示此页并未装入内存:
        • 不具备请求调页功能的存储器管理系统,会表示地址出错。
        • 具备请求调页功能的,则产生请求调页中断,系统把此页调入内存。
    • 特点:
      • 一个64MB内存的机器,若页面大小为4KB,则反置页表占用64KB内存。
      • 但该表只包含调入内存的页面,因此还需为每个进程建立外部页表(External Page Table),该表与传统页表一样,且仅在发现页面不在内存时会被使用。
      • 内存容量很大时,页表项数目也会很大,为此,可采用Hash算法进行检索。
        • 但Hash算法可能产生“地址冲突”,即多个逻辑地址被映射到一个Hash表项上,后续部分会对其处理方式进行讲解。

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  • 请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方式。为了实现请求分页,计算机系统除了要求内存与外存外,还需要请求页表机制,缺页中断机构,地址变换机构。请求页表机制:请求分页系统中主要的数据结构是请求页表。...

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    请求分页中的硬件支持

    • 请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方式。
    • 为了实现请求分页,计算机系统除了要求内存与外存外,还需要请求页表机制,缺页中断机构,地址变换机构。
    • 请求页表机制:
      • 请求分页系统中主要的数据结构是请求页表。
        • 基本功能是将逻辑地址映射成物理地址,为了满足换入换出要求,还增加了四个字段。
      • 状态位P(存在位):指示是否调入内存。
      • 访问字段A:记录一段时间内被访问次数,或多久未被访问。
      • 修改位M:标识调入内存后是否被修改过。
      • 外存地址:指出其外存地址。
    • 缺页中断机构:
      • 请求分页系统中,待访问的页面不在内存时,产生缺页中断,请求OS将所缺页调入内存。
      • 缺页中断作为中断,同样需要保护CPU环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序进行处理、在中断处理完成后再恢复CPU环境等步骤。
      • 但缺页中断与一般中断相比有两个明显区别:
        • 在指令执行期间产生和处理中断信号。
        • 一条指令期间可能产生多次中断。
        • 注:一般中断,出现于指令结束后,才会被检查到。
    • 地址变换机构:
      • 变换过程:
        1. 检索快表,找到了页。
          1. 修改页表项的访问位。
          2. 若是写操作,则修改“修改位置”为1,表示已被修改。
          3. 利用页表项中给出的物理块号和页内地址形成物理地址。
        2. 快表中无该页,在内存中检索,并找到了页。
          1. 从状态位P了解是否调入内存,若调入,则将其加入快表。
          2. 快表满时,根据算法调出部分页。
        3. 内存中未找到页,产生缺页中断,请求OS将该页从外存调入内存。

    请求分页中的内存分配

    • 最小物理块数:
      • 保证进程正常运行所需的最小物理块数。
      • 取决于计算机硬件结构、指令格式、功能、寻址方式。
      • 对于单地址指令:
        • 采用直接寻址,最小物理块数为2.
        • 一块用于存放指令,一块用于存放数据。
      • 间接寻址:
        • 至少三个物理块、
      • 功能较强的机器:
        • 指令长度可能多两个字节,及可能跨两个页面。
        • 至少六个物理块。
    • 内存分配策略:
      • 固定分配局部置换(Fixed Allocation, Local Replacement)
        • 固定分配:为进程分配固定数目物理块。
        • 局部置换:将进程已分配的物理块中,换出一页,再调入一页。
      • 可变分配全局置换(Variable Allocation, Global Replacement)
        • 可变分配:为进程分配一定数目物理块,进程运行期间,根据情况适当增减。
        • 全局置换:将OS中空闲物理块分配给该页,或如从所有进程的物理块中换出调入。
          • 空闲物理块用完时,才从内存中的进程调出。
      • 可变分配局部置换(Variable Allocation, Local Replacement)
    • 物理块分配算法:
      • 平均分配算法。
      • 按比例分配算法:按进程大小的比例分配。
      • 考虑优先权的分配算法。

    页面调入策略

    • 何时调入页面:
      • 预调页策略:
        • 调入预测中会在不久后访问到的页面。
        • 目前成功率仅约50%。
      • 请求调页策略:
        • 仅调入被请求的页面。
    • 从何处调入页面:
      • 拥有足够对换区空间:
        • 全部从对换区调入所需页面。
      • 系统缺少足够的对换区空间:
        • 不会被修改的文件从文件区调入。
        • 可能被修改的文件调到对换区。
      • UNIX方式:
        • 未运行过的页面从文件区调入。
        • 运行过但被换出的页面放在对换区。
        • 部分共享的页面不需要调入,它们已被其他进程调入内存。
    • 页面调入过程:
      • 所访问页面不在内存(存在位为0),发出缺页中断。
      • 中断处理程序保留CPU环境,分析中断原因,转入缺页中断处理程序。
      • 缺页中断处理程序查找页表,得到该页在外存的物理块。
      • 若内存能容纳新页:
        • 则启动磁盘I/O,该页调入内存,修改页表。
      • 若内存已满:
        • 根据置换算法从内存中选取一页准备换出。
        • 待换出的页未修改过(修改位为0),不必写回磁盘,否则写回磁盘。
        • 调入所缺页,修改页表,存在位设置1,将该页写入快表。
      • 缺页调入内存后,根据页表生成访问待访问数据的物理地址,再访问内存数据。
    • 缺页率:
      • 缺页率为:F/(S+F)
        • 访问成功的次数为S。
        • 缺页的次数为F。
      • 受几个因素影响:
        • 页面大小:页面大,缺页率低。
        • 进程所分配物理块的数目:数目多,缺页率低。
        • 页面置换算法。
        • 程序固有特性。
      • 缺页中断处理时间:p*a + (1-p)*b
        • 被调出的页面被修改的概率为p。
        • 处理被修改的缺页中断处理时间为a。
        • 处理未被修改的缺页中断处理时间为b。

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  • 加深对分页存储管理方式和分段存储管理方式的理解,特别是要掌握地址转换的方法。 二、实验原理 分页存储管理方式 页面:将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面或页,并加以编号,从0开始编制...

    分页存储管理和分段存储管理
    一、实验目的
    加深对分页存储管理方式和分段存储管理方式的理解,特别是要掌握地址转换的方法。
    二、实验原理
    分页存储管理方式
    页面:将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面或页,并加以编号,从0开始编制页号,页内地址是相对于0编址。
    物理块:内存按页的大小划分为大小相等的区域,称为物理块(物理页面,页框(frame),帧),同样加以编号,如0#块、1#块等等。
    在这里插入图片描述
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    分段存储管理方式:
    分段存储管理方式中,作业的地址空间被分成若干个段(segment),每个段定义了一组逻辑信息。
    段表,在分段式存储管理系统中,为每个分段分配一个连续的分区,而进程中的各个段可以离散地移入内存中的不同的分区中。系统为每个进程建立一张段映射表,简称为“段表”。每个段在段表中占一个表项,其中记录了该段在内存中的起始地址(又称为“基址”)和段的长度。
    在这里插入图片描述
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    三、实验操作方法和步骤
    本实验要求通过编写和调试一个程序,可以通过逻辑地址计算出物理地址。具体要求如下:
    (1)在分页存储管理方式下,给一个逻辑地址,能计算出物理地址;
    (2)在分段存储管理方式下,给一个逻辑地址,能计算出物理地址。

    四、实验结果与分析
    1、对重要部分代码进行截图,并进行简要说明
    在这里插入图片描述
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    2、对运行结果进行截图,并进行简要说明

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  • 分页存储方式管理模拟 C++实现

    千次阅读 2019-12-25 16:25:26
    目的:了解分页存储管理方式原理和实现的基本过程。 设计要求:设计一个简单分页存储管理系统,要求实现以下功能。 (1) 定义分页的地址结构和页表结构。 (2) 对进程的逻辑地址空间、页表起址、给定的逻辑地址...

    分页存储方式管理模拟 C++实现

    1.任务要求

    目的:了解分页存储管理方式的原理和实现的基本过程。
    设计要求:设计一个简单分页存储管理系统,要求实现以下功能。
    (1) 定义分页的地址结构和页表结构。
    (2) 对进程的逻辑地址空间、页表起址、给定的逻辑地址进行初始化。
    (3) 实现从逻辑地址到物理地址的变换。
    (4) 实现“主存空间的共享和保护”功能。
    (5) 实现“主存扩充”虚拟功能。

    2.代码实现

    C++源码如下(编译环境:Mingw-w64/gcc 8.1.0):

     //物理块:4KB; 物理块数:256;共享状态:1共享,0不共享;访问状态:1访问过,0未访问过
     #include <iostream>
     #include <vector>
     #include <ctime>
     #include <cstdlib>
     #include <iomanip>
     
     using namespace std;
    
     int init();                //初始化
     int show_Share_Page();     //展示共享页表
    
     int t = 1;
     int p = -1;  //clock算法指针
     int q = 0;
     int c = 0;
    
     int ram_block_state[256];               //物理块分配状态
    
     struct Pages_item {                       //页表项
         int pages_num;
         int ram_block_num;
         int share_state; //1共享,0不共享
         int position_state;//1在内存,0不在内存
         int visit;//1最近被访问;0最近未被访问
     };
    
     struct share_page_item                     //共享页表项
     {
         int pro_id;
         int pages_num;
         int share_state;
     };
    
     vector<share_page_item> Share_Page;    //共享页表
    
    class PCB
    {
        int id;
        int page_item_sum;
        int ram_block[5];
        vector<Pages_item> Page;
    public:
        PCB();
        int show();        //展示页表
        int inquiry();     //输入逻辑地址,并转化为物理地址
        int clock();       //置换算法;    
    };
    
    PCB::PCB()
    {
         id = t++;
         int r = 0;
         srand(time(0));
    
        //分配进程物理块
         for (int i = 0; i < 5; i++)
         {
            while (1)
            {
                int a = 0;
                ram_block[i] = rand() % 0xff + 1;
                if (ram_block_state[ram_block[i]] == 0)
                {
                    ram_block_state[ram_block[i]] = 1;
                    break;
                }
                else 
                    a++;
                if (a == 256)
                {
                    cout << "物理内存不足,无法分配\n";
                    system("pause");
                    exit(0);
                }
            }
    
            for (int j = 0; j < i; j++)
            {
                if (ram_block[i] == ram_block[j])
                {
                    r = 1;
                    break;
                }
            }
            if (r == 1)
            {
                r = 0;
                i--;
            }
         }
    
        //分配进程页数
         page_item_sum = rand() % 10 + 3;
         for (int i = 0; i < page_item_sum; i++)
         {
                Pages_item a;
                a.pages_num = i + 1;
    
                if (i < 5)
                    a.ram_block_num = i;
                else
                    a.ram_block_num = 10000;//为分配物理块
    
                a.share_state = rand() % 2;
    
                if (a.ram_block_num == 10000)
                    a.position_state = 0;
                else
                    a.position_state = 1;
                
                a.visit = 0;
    
                Page.push_back(a);
    
                share_page_item b;
    
                //将共享页加入共享页表
                if (a.share_state == 1)
                {
                    b.pro_id = id;
                    b.pages_num = a.pages_num;
                    b.share_state = a.share_state;
                    Share_Page.push_back(b);
                }
         }
    
     }
    
    int PCB::show()
    {
        cout << id << "进程的页表为:\n";
        cout << "页号\t" << "物理块号\t" << "共享状态\t" << "存储状态\t" << "访问位\n";
        for (int i = 0; i < page_item_sum; i++)
            if (Page[i].position_state == 1)
                cout << setiosflags(ios::uppercase) << hex << Page[i].pages_num 
                     << "\t" << ram_block[Page[i].ram_block_num] << "\t\t" << Page[i].share_state
                     << "\t\t" << Page[i].position_state << "\t\t" << Page[i].visit << endl;
            else
            {
                cout << setiosflags(ios::uppercase) << hex << Page[i].pages_num 
                     << "\t\t\t" << Page[i].share_state << "\t\t" << Page[i].position_state << "\t\t" 
                     << Page[i].visit << endl;
            }
        cout << endl; 
        return 0;
    }
    
    int PCB::inquiry()
    {
        cout << "请输入逻辑地址(5位十六进制地址): ";
        int a, page_num, pagein_address, ram_block_, b = 0, physics_address;
        while (!(cin >> hex >> a) || a < 0x1000)
        {
            cin.clear();
            cin.sync();
            cout << "地址格式输入错误,请重新输入!\n" 
                 << "请输入逻辑地址(5位十六进制地址): ";
        }
        page_num = a / 0x1000;
        pagein_address = a % 0x1000;
    
        for (int i = 0; i < page_item_sum; i++)
            if (Page[i].pages_num == page_num)
            {
                b = 1;
    
                if (Page[i].position_state == 0)
                {
                    int a = clock(); //选择出要置换的页面
                    int t = Page[a].ram_block_num;
                    Page[a].ram_block_num = Page[i].ram_block_num;
                    Page[i].ram_block_num = t;
                    Page[i].position_state = 1;
                    Page[a].position_state = 0;
                }
    
                ram_block_ = ram_block[Page[i].ram_block_num];
                Page[i].visit = 1;
                break;
            }
        if (b == 0)
        {
            cout << "输入错误,地址越界!\n";
            system("pause");
            exit(0);
        }
    
        physics_address = ram_block_ * 0x1000 + pagein_address;
    
        cout << "物理地址为:" << setiosflags(ios::uppercase) << hex << physics_address << endl << endl;
    
        return 0;
    }
    
    int PCB::clock()
    {
        p = ++p % page_item_sum;
        for (; p < page_item_sum; p++)
            if (Page[p].visit == 1)
                Page[p].visit = 0;
            else
                break;
        return p;
    }
    
    int init()
    {
        for (int i = 0; i < 256; i++)
            ram_block_state[i] = 0;
        return 0;
    }
    
    int show_Share_Page()
    {
        cout << "\n共享页表:\n";
        cout << "进程号\t" << "页号\t" << "共享状态\n";
        int a = Share_Page.size();
        for (int i = 0; i < a; i++)
            cout << Share_Page[i].pro_id << "\t" << Share_Page[i].pages_num
                 << "\t" << Share_Page[i].share_state << endl;
        cout << endl;
        return 0;
    }
    
    int main()
    {
        init();
        PCB one;
        PCB two;
        int b = 0;
        int c = 0;
        while (1)
        {
            if (b == 0)
            {
                one.show();
                two.show();
            }
            if (c == 0)
            {
                cout << "程序有如下功能:\n"
                     << "1.输入1进程的逻辑地址\n"
                     << "2.输入2进程的逻辑地址\n"
                     << "3.显示共享页表\n"
                     << "4.结束程序\n\n"
                     << "请选择一个功能选项:";
            }
            int a;
            cin >> a;
            if (a == 1)
            {
                one.inquiry();
                b = 0;
                c = 0;
            }
            else if (a == 2)
            {
                two.inquiry();
                b = 0;
                c = 0;
            }
            else if (a == 3)
            {
                show_Share_Page();
                b = 1;
                c = 0;
            }
            else if (a == 4)
                break;
            else
            {
                cout << "输入错误,请重新输入!";
                b = 1;
                c = 1;
                continue;
            }
        }
        system("pause");
        return 0;
    }
    
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空空如也

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分页存储管理方式原理