前言
正文
一，非连续内存分配的需求背景
1， 连续分配的缺点
- 分配给程序的物理内存必须连续
- 存在外碎片和内碎片
- 内存分配的动态修改困难
- 内存利用率较低
2，非连续分配的设计目标: 提高内存利用效率和概率灵活性
- 允许一个程序的使用非连续的物理地址空间
- 允许共享代码与数据
- 支持动态加载和动态链接
3，非连续分配需要解决的问题
- 如何实现虚拟地址和物理地址的转换 - 软件实现(灵活,开销大) - 硬件实现(够用，开销小)
4， 非连续分配的硬件负责机制
- 如何选择非连续分配中的内存分块大小
- 段式存储管理（segmentation）
- 页式存储管理（paging）
二，段式存储管理
1，段地址空间
- 进程的段地址空间由多个段组成
- 主代码段
- 子模块代码段
- 公用库代码段
- 堆栈段(stack)
- 堆数据（heap）
- 初始化数据段
- 符号表等
- 段式存储管理的目的
2，段访问机制
- 段的概念
- 段表示访问方式和存储数据等属性相同的一段地址空间
- 对应一个连续的内存“块”
- 若干个段组成进程逻辑地址空间
- 段访问:逻辑地址由二元组(s,addr)表示
- s – 段号
- addr – 段内偏移
三，页式存储管理
1，页式存储管理的概念
- 页帧(帧,物理页面,Frame, Page Frame)
- 把物理地址空间划分为大小相同的基本分配单位
- 2的n次方, 如512,4096, 8192
- 页面(页,逻辑页面,Page)
- 把逻辑地址空间也划分为相同大小的基本分配单位
- 帧和页的大小必须是相同的
- 页面到叶帧
- 逻辑地址到物理地址的转换
- 页表
- MMU/TLB
2， 页式存储管理的地址转换
- 帧(Frame)
- 物理内存被划分成大小相同的帧内存物理地址的表示:二元组(f,o)
- f – 帧号(F位，共有2^f个帧)
- o – 帧内偏移（S位,每帧有2^s字节）
物理地址 = f * 2^s + o
-
基于页帧的物理地址计算实例 ① 假定 - 16-bit的地址空间 - 9-bit(512byte)大小的页帧 ② 物理地址计算 - 物理地址表示 = (3， 6)
物理地址 = 2^s*f + o F = 7 S = 9 f = 3 o = 6③ 实际物理地址 = 2^9 * 3 = 6 = 1536 + 6 = 1542
-
页(Page)
- 进程逻辑地址空间被划分为大小相等的页
- 页内偏移 = 帧内偏移
- 通常: 页号大小 != 帧号大小
进程逻辑地址的表示: 二元组(P, O)
P – 页号(P位， 2^p个页) O – 页内偏移(S位,每页有2^字节)
虚拟地址 = P * 2^s + O
四，页表
1， 页表概述
- 每个进程都有一个页表
- 每个页面对应一个页表项
- 随进程运行状态而动态变化
- 页表基址寄存器(PTBR: Page Table Base Register)
页表项组成
帧号：f
页表项标志
- 存在位(resident bit)
- 修改位(dirty bit)
- 引用位(clock/reference bit)
页式存储管理机制的性能问题
- 内存访问性能问题
- 访问一个内存单元需要2次内存访问
- 第一次访问：获取页表项
- 第二次访问：访问数据
- 页表大小问题：
- 页表可能非常大
- 64位机器如果每页1024字节，那么一个页表的大小会是多少？
-
如何处理?
- 缓存（Caching）
- 间接（Indirection）访问
2， 快表（Translation Look-aside Buffer, TLB）
- 缓存近期服务的页表项
- TLB使用关联存储(associative memory)实现，具备快速服务性能
- 如果TLB命中,物理页号可以很快被获取
- 如果TLB未命中,对应的表项被更新到TLB中
3， 多级页表
- 通过间接引用将页号分成k级
- 建立页表”树”
- 减少每级页表的长度
4， 反置页表
大地址空间问题
- 对于大地址空间 （64-bits）系统，多级页表变得繁琐
- 比如：5级页表
- 逻辑(虚拟)地址空间增长速度快于网络地址空间
-
页寄存器和反置页面的思路
- 不让页表与逻辑地址空间的大小相对应
- 让页表与物理地址空间的大小相对应
-
页寄存器(Page Registers)
- 每个帧与一个页寄存器(Page Register)关联，寄存器内容包括：
- 占用页号(Occupier): 对应的页号p
- 使用位(Residence bit): 此帧是否被进程占用
- 保护位(Protection bits)
- 页寄存器示例
- 物理内存大小: 40964096=4K4KB=16 MB
- 页面大小: 4096 bytes = 4KB
- 页帧数: 4096 = 4K
- 页寄存器使用的空间 (假设每个页寄存器占8字节):
- 8*4096=32 Kbytes
- 页寄存器带来的额外开销:32K/16M = 0.2% (大约)
- 虚拟内存的大小： 任意
- 页寄存器方案的特征
优点:
- 页表大小相对于物理内存而言很小
- 页表大小与逻辑地址空间大小无关 缺点:
- 页表信息对调后，需要依据帧号可找页号
- 在页寄存器中搜索逻辑地址中的页号
-
页寄存器中的地址转换
- CPU生成的逻辑地址如何找对应的物理地址?
- 对逻辑地址进行Hash映射，以减少搜索范围
- 需要解决可能的冲突
- 用快表缓存页表项后的页寄存器搜索步骤
- 对逻辑地址进行Hash变换
- 在快表中查找对应页表项
- 有冲突时遍历冲突项链表
- 查找失败时，产生异常
- 快表的限制
- 快表的容量限制
- 快表的功耗限制(StrongARM上快表功耗占27%)
- 反置页表
- 基于Hash映射值查找对应页表项中的帧号
- 进程标识与页号的Hash值可能有冲突
- 页表项中包括保护位、修改位、访问位和存在位等标识
五，段页式存储管理
1， 段页式存储管理的需求
-
段式存储在内存保护方面有优势，页式存储在内存利用和优化转移到后备存储方面有优势。
-
段式存储、页式存储能否结合？
2， 段页式存储管理
在段式存储管理基础上，给每个段加一级页表
3， 段页式存储管理中的内存共享
通过指向相同的页表基址，实现进程间的段共享
