操作系统学习笔记（四）內存分页管理方式

经过几个早上的奋战，终于把分页内存管理的那一句介绍给读明白了，赶紧总结下。

其实内存管理还有很多的知识点，比如为什么要进行内存管理，分页，分段，快表等等，之所以单挑出分页管理总结，是因为它是基础，也是我理解起来最难的。

基础概念理解

字，字节，位

计算机中，一个bit叫做一位，缩写为b，代表了一个0或者一个1，然后8个bit叫做一个字节（Byte），缩写为B，一个字又是两个字节组成

地址长度代表什么

我们经常说的32位操作系统，和64位操作系统，说的是地址的长度，也就是地址总线的根数，它决定了系统寻址的最大范围，比如32位系统，内存的寻址范围就是从0到2的32次方

什么叫以字节为单位编址

上面说的32位地址长度，可以表示0到2的32次方个地址，但是一个地址代表的内存空间可以是一位，也可以是一个字节，也就是说我们是否需要一位一位地读取内存数据，或者每次都读取字节整数倍的内存，如果是后者，那就是以字节位编址单位。

分页存储的几个概念

页面和页面大小

进程中的块称为页（Page），内存中的块称为页框（Page Frame，或者页帧）。外存也以同样的单位进行划分，直接称为块（Block）。进程在执行时需要申请主存空间，即要为每个页面分配主存中的可用页框，这就产生了页和页框的一一对应。

为了方便进行地址转换，页面大小应该是2的整数幂。同时页面大小应该适中，页面太小会使进程中的页面数过多，页表就会过长，占用大量内存，同时也会增加硬件地址转换的开销，降低页面换入/换出的效率；页面过大又会使页内碎片增多，降低内存的利用率。

地址结构

地址结构分为两部分，前一部分为页号P，后一部分为页内偏移量W，地址长度为32位，如果其中0-11位为页内地址，那么每页大小为4KB，也就是2的12次方个B（注意这里是以字节为单位编址才是4KB）；12-32位为页号，地址空间最多允许2的20次方个页

页表

为了方便在内存中找到每个进程中每个页面对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表，它记录页面在内存中对应的物理块号，页表一般保存在内存中。

页表是由页表项组成的，初学者容易混淆页表项和地址结构，二者都是由两部分组成，且第一部分都是页号，但是页表项第二部分是该页号对应的物理地址块号，而地址结构第二部分是在该物理块中的偏移量。

页表项的第二部分拼接地址的第二部分才是真正的物理地址。

地址结构分为两部分，是真的各占一定长度，但是页表项内容就只有物理块号

基本地址变换机构

地址变换机构的任务是将逻辑地址转换为内存中的物理地址。地址变换是借助于页表实现的。

在系统中设置一个页表寄存器（PTR），存放页表在内存中的起始地址F和页表长度M。

进程未执行时，页表起始地址和页表长度存放在进程控制块中，当进程执行时，才将页表起始地址和长度存放进寄存器。

设页面大小为L，逻辑地址A到物理地址E的过程如下：

• 计算页号P = A / L，和页内偏移量W = A % L
• 比较页号P和页表长度M的关系，如果P >= M，则产生越界中断，否则继续执行
• 页表中页号P对应的页表项地址 = F + P * 页表项长度，然后取出该页表项的内容b，即物理块号。（要注意区分页表长度和页表项长度，页表长度指的是一共有多少页，页表项长度指的是页地址占多大空间，也就是物理块号的地址长度）
• E = b * L + W

页式管理只需要给出一个整数就可以确定对应物理地址，因为页面大小L是确定的，所以页式管理的地址空间是一维的。

如何确定页表项的大小

这一段就是最难理解的，理解了这一段，就基本能理解页式管理了。

页表项的作用时找到该页在内存中位置，以32位逻辑地址空间，字节编址单位，一页4KB为例，地址空间一共（2的32次方个B / 4KB）= 2的20次方个页 = 1M个页，就需要（以2为底1M的对数，也就是20）位才能容纳这么多页，也就是说物理块号的长度至少因该是20，这个20指的是地址长度，在计算机中实际上就需要20个b来存储，但是又因为我们是以字节为编址单位的，一个字节等于8个b，那我们的物理块号的长度应该大于等于 20 / 8的整数，也就是至少是3B（24个b，即物理块号长度为24）。

当然也可以选择更大的页表项让一个页面正好能容下整数个页表项，进而方便存储（如取成4B，一页大小是4KB，正好可以装下1K个页表项）。

还有一点需要注意，就是上面的讨论没有提及物理地址长度，默认就是逻辑地址长度和物理地址长度是相同的，但是实际上完全可能不相同.

比如逻辑地址32位，高20位为块号，低12位为偏移量，页表项长度，也就是物理块号长度可能是10，那么物理地址长度可能就是10 + 12 = 22.

两个题目

第一个

页式存储管理允许用户的编程空间为32个页面（每页1KB），主存为16KB，如果一个用户程序为10页长，且某个时刻页表如下：
逻辑页号 物理块号
0 8
1 7
2 4
3 10

则地址0AC5H，对应的物理地址是多少。

页面大小为1KB，所以逻辑地址低10位为页内偏移地址；
用户编址空间为32个页面，也就是高5位为页号；
主存为16个页面，即物理地址高4位为物理块号；

0AC5H 二进制为 000101011000101，页号为00010，即2，对应的物理块号为4，也就是0010（因为物理块号为4位）,那么实际物理地址为01001011000101。

第二个

某主机主存按字节编址，逻辑地址和物理地址都是32位，页表项大小为4B

逻辑地址高20位为页号，低12位为页内偏移量

则页大小为多少字节？页表最大占用多少字节？

因为页内偏移量长度为12位，那么一页大小就为2的12次方B，也就是4KB。

页号长度为20，那么可以表示2的20次方个页，页表长度最大为2的20次方，一个页表项大小为4B，那就是说页表最大为2的20次方 * 4B。

物理地址长度理论上应该是是物理块号长度+页内偏移量长度 = 页表项大小 + 偏移量长度 = 4B + 12b = 32b + 12b = 44b，也就是44位，但又说实际物理地址是32位，那就是说高44 - 32位全是0，是无效的。