页式存储管理
页式存储管理的基本原理
页式存储管理的基本原理页式存储管理是一种常见的内存管理方式，其基本原理包括页面分割和页面置换。
页面分割是指将进程的虚拟内存空间划分为固定大小的页，通常为4KB或者8KB。
每个页都有一个唯一的页号，用来标识该页在虚拟内存空间中的位置。
进程的虚拟内存被分为一系列的页，形成一个页表，用来记录页与物理内存的映射关系。
页面置换是指根据一定的算法，将物理内存中的页面与虚拟内存中的页面进行置换。
当一个进程需要访问一个虚拟内存页面时，首先检查这个页面是否已经在物理内存中。
如果在，则直接进行访问。
如果不在，则需要进行页面置换，将物理内存中的某个页面置换出来，以便给新的页面腾出空间。
页式存储管理的基本原理是为了解决计算机系统中内存有限的问题。
由于物理内存的容量通常远小于进程的虚拟内存空间，因此无法将进程的全部虚拟内存空间都加载到内存中。
页式存储管理将进程的虚拟内存空间划分为页，并根据需要将页逐个加载到物理内存中。
页式存储管理的基本思想是将进程的虚拟内存空间分成一个个固定大小的页，并且将这些页映射到物理内存上的一块块固定大小的页框中。
通过这种映射关系，可以实现进程在虚拟内存和物理内存之间的无缝切换，使得进程能够正常运行。
当进程需要访问虚拟内存的某个页面时，首先根据页号在页表中找到相应的页表项，该项记录了该页所在的物理内存页框的地址。
如果该页已经在物理内存中，则直接进行访问。
如果不在物理内存中，则需要进行页面置换。
页面置换算法是页式存储管理中的核心部分，其目的是从物理内存中选择一个页面进行置换，以给新的页面腾出空间。
常见的页面置换算法有最先进入先出（FIFO）、最少使用（LRU）、最近最久未使用（LRU）等。
总体来说，页式存储管理是一种以页面为单位进行内存管理的方式，通过页面分割和页面置换实现进程的虚拟内存与物理内存之间的映射关系。
通过这种映射关系，可以实现计算机系统中内存资源的有效利用，提高系统的性能和可靠性。
操作系统的虚拟存储管理与页式存储技术
操作系统的虚拟存储管理与页式存储技术操作系统是计算机系统中非常重要的一个组件，它负责管理计算机硬件和软件资源，协调各个应用程序的执行，以及提供用户与计算机之间的接口。
虚拟存储管理是操作系统中的一个核心功能，它通过将主存（内存）和辅存（磁盘）结合起来，在有限的主存空间中管理多个应用程序的运行和数据存储。
页式存储技术是一种常用的虚拟存储管理技术，下面将详细介绍虚拟存储管理以及页式存储技术的原理和实现方式。
一、虚拟存储管理的概念和原理虚拟存储管理是一种用于管理计算机主存和辅存的技术，它将辅存中的数据自动地转移到主存中，并且能够在程序运行时动态地分配和回收主存空间。
通过虚拟存储管理，即使计算机的主存空间有限，也可以实现更多应用程序的并发执行和大规模数据的存储与处理。
虚拟存储管理的主要原理是将辅存中的数据划分为若干个固定大小的存储块，称为页面（Page）。
同样，主存也被划分为与辅存页面大小相同的存储块，称为页框（Page Frame）。
每个页面和页框都有唯一的标识符，用于管理和映射页面到页框的关系。
当一个应用程序需要访问或执行某个页面时，操作系统将其从辅存中读入一个空闲的页框，并将其映射到相应的页面标识符。
如果主存中没有空闲的页框，则需要使用一定的页面置换算法将某个页面替换出去，以腾出页框给新的页面使用。
虚拟存储管理能够有效地利用计算机的主存资源，并且能够在不同的应用程序之间进行数据保护和隔离。
通过页面和页框的映射关系，操作系统可以实现虚拟地址空间的划分和隔离，每个应用程序都认为自己独占了整个计算机的内存空间，而不需要关心其他应用程序的存在。
二、页式存储技术的实现方式页式存储技术是一种基于虚拟存储管理的实现方式，它将主存和辅存划分为固定大小的页面，并且使用页表来管理页面和页框的映射关系。
下面将详细介绍页式存储技术的实现方式。
1. 页面和页框的划分页式存储技术将辅存和主存划分为固定大小的页面和页框，通常大小为2的幂次方，例如2KB、4KB或者16KB等。
页式、段式、段页式存储优缺点总结
页式、段式、段页式存储优缺点总结内存管理⽅式主要分为：页式管理、段式管理和段页式管理。
页式管理的基本原理是将各进程的虚拟空间划分为若⼲个长度相等的页。
把内存空间按页的⼤⼩划分为⽚或者页⾯，然后把页式虚拟地址与内存地址建⽴⼀⼀对应的页表，并⽤相应的硬件地址转换机构来解决离散地址变换问题。
页式管理采⽤请求调页和预调页技术来实现内外存存储器的统⼀管理。
优点：没有外碎⽚，每个内碎⽚不超过页的⼤⼩。
缺点：程序全部装⼊内存，要求有相应的硬件⽀持，如地址变换机构缺页中断的产⽣和选择淘汰页⾯等都要求有相应的硬件⽀持。
增加了机器成本和系统开销。
段式管理的基本思想是把程序按内容或过程函数关系分成段，每段有⾃⼰的名字。
⼀个⽤户作业或者进程所包含的段对应⼀个⼆维线性虚拟空间，也就是⼀个⼆维虚拟存储器。
段式管理程序以段为单位分配内存，然后通过地址映射机构把段式虚拟地址转换为实际内存物理地址。
优点：可以分别编写和编译，可以针对不同类型的段采取不同的保护，可以按段为单位来进⾏共享，包括通过动态链接进⾏代码共享。
缺点：会产⽣碎⽚。
段页式管理，系统必须为每个作业或者进程建⽴⼀张段表以管理内存分配与释放、缺段处理等。
另外由于⼀个段⼜被划分为若⼲个页，每个段必须建⽴⼀张页表以把段中的虚页变换为内存中的实际页⾯。
显然与页式管理时相同，页表也要有相应的实现缺页中断处理和页⾯保护等功能的表项。
段页式管理是段式管理和页式管理相结合⽽成，具有两者的优点。
由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加。
另外需要的硬件以及占⽤的内存也有所增加，使得执⾏速度下降。
————————————————————————————————————————————————⾸先看⼀下“基本的存储分配⽅式”种类：1. 离散分配⽅式的出现 由于连续分配⽅式会形成许多内存碎⽚，虽可通过“紧凑”功能将碎⽚合并，但会付出很⼤开销。
于是出现离散分配⽅式：将⼀个进程直接分散地装⼊到许多不相邻的内存分区中。
页式存储管理的基本原理
页式存储管理的基本原理页式存储管理是计算机操作系统中一种常用的存储管理方式。
它通过将进程的地址空间分割成固定大小的页，再将物理内存也分割成与之对应的页框，实现进程与物理内存之间的映射关系。
页式存储管理的基本原理可以分为地址映射、页表和页面置换。
首先，页式存储管理通过地址映射实现进程的内存访问。
当进程生成一个虚拟地址时，操作系统将其分成两个部分，一个是页号，用于标识从进程中取出的页，另一个是页偏移量，用于指示页中具体的地址。
操作系统根据进程页号和页表将虚拟地址转换为物理地址，进而实现内存的访问。
其次，页式存储管理使用页表来管理进程的虚拟地址空间和物理内存的映射关系。
每个进程都有一个页表，其中包含了虚拟页号与物理页框号的对应关系。
当进程发生地址访问时，操作系统通过查找页表找到对应的物理页框，然后将物理页框中的数据加载到CPU中进行计算。
页表一般采用哈希表、树结构或者多级页表等数据结构来实现，以提高查找速度和存储空间的利用率。
在查找过程中，操作系统利用页号作为索引快速找到对应的页表项，然后根据页表项中的页框号获取物理地址。
最后，当物理内存空间不足以容纳所有进程的页时，页式存储管理需要进行页面置换。
页面置换算法是页式存储管理中的重要组成部分，常见的页面置换算法包括最佳置换算法、先进先出算法、最近最久未使用算法等。
这些算法根据不同的策略选择要被替换的页面，并将其从物理内存中换出，然后加载新的页面。
页面置换算法的选择取决于不同的场景和需求。
例如，最佳置换算法选择将最长时间不使用的页面替换出去，以便使页面置换的缺页率最低。
而最近最久未使用算法则选择最近一段时间内最久未使用的页面进行替换。
总结来说，页式存储管理通过地址映射、页表和页面置换实现了对进程虚拟地址和物理内存之间的有效映射与管理。
它在提高内存利用率的同时，还能够满足多进程同时运行的需求，对计算机的性能和稳定性有着重要的影响。
操作系统——页式存储管理
操作系统——页式存储管理分区式存储管理最⼤的缺点是碎⽚问题严重，内存利⽤率低。
究其原因，主要在于连续分配的限制，即它要求每个作⽤在内存中必须占⼀个连续的分区。
如果允许将⼀个进程分散地装⼊到许多不相邻的分区中，便可充分地利⽤内存，⽽⽆需再进⾏“紧凑”。
基于这⼀思想，产⽣了“⾮连续分配⽅式”，或者称为“离散分配⽅式”。
连续分配：为⽤户进程分配的必须是⼀个连续的内存空间。
⾮连续分配：为⽤户进程分配的可以是⼀些分散的内存空间。
分页存储管理的思想：把内存分为⼀个个相等的⼩分区，再按照分区⼤⼩把进程拆分成⼀个个⼩部分。
分页存储管理分为：实分页存储管理和虚分页存储管理⼀、实分页式存储管理实分页式存储最⼤的优点是内存利⽤率⾼，与⽬前流⾏的虚分页存储管理相⽐，具有实现简单，程序运⾏快的优点。
⽬前，飞速发展的硬件制造技术使得物理内存越来越⼤，因此我们认为，实分页式存储管理将是⼀种最有发展前途的存储管理⽅式。
1.1、基本原理假设⼀个⼤型饭店，所有的客房都是标准的双⼈间，部分客房已经住进客⼈，现在⼜有⼀个旅游团要求⼊住。
接待员统计了⼀下，对旅游团领队说：“贵团全体成员都能住下，两⼈⼀个房间，但是不能住在同⼀楼层了，因为每层空着的客房不够，更没有⼏个挨着的。
请原谅！”。
对于这样的安排，⼀般⼈不会感到奇怪。
因为旅游团本来就是由⼀位位个⼈或夫妻等组成的，⽽饭店的客房本来也是两⼈⼀间的，两⼈⼀组正好可住在⼀个客房⾥；另外，饭店⼏乎每天都有⼊住的和退房的客⼈，想在同⼀楼层找⼏间挨着的客房实在不容易。
①将整个系统的内存空间划分成⼀系列⼤⼩相等的块，每⼀块称为⼀个物理块、物理页或实页，页架或页帧（frame），可简称为块（block）。
所有的块按物理地址递增顺序连续编号为0、1、2、……。
这⾥的块相当于饭店的客房，系统对内存分块相当于饭店把⼤楼所有的客房都设计成标准的双⼈间。
②每个作业的地址空间也划分成⼀系列与内存块⼀样⼤⼩的块，每⼀块称为⼀个逻辑页或虚页，也有⼈叫页⾯，可简称为页（page）。
页式存储管理指导
运行命令2
4. （续）入对应页表表项，并修改该进程 内存分配表和页表。把申请到的页号填 入对应页表表项，把状态位置1修改位 示图和可用空闲块数 5. 查表完成地址映射，打印格式如下： 12345-14782 4. 重复以上步骤完成第2个地址转换
显示进程状态
显示选定进程的页表，例如
虚拟页号 状态位 物理页号 访问位
加载进程
1. 接收用户输入进程信息（进程名，长度） 2. 自动为进程编号 3. 自动为进程创建页表，页表包含内容因淘汰算 法不同有所区别，一般应有虚拟页号、状态位、 物理页号、访问位（或最近访问时间）等，页 表长度＝（进程长度+页长－1）/页长，用结 构体数组实现，每个进程一个页表，初始情况 下，页表中访问位和状态位都为0； 4. 为进程创建内存分配表，格式：进程号、虚拟 页号、物理页号，用数组实现
页式存储管理指导
程序模块图
初始化
功能选择
加载进程
选择进程
运行命令
显示进程状态
退出
初始化功能
1. 初始化位示图 位示图是用1个二进制位来代表一个物 理页分配情况，1代表已经分配，0代表 未分配。如页大小为2K，内存容量 256K，则需要128个二进制位即16个字 节空间，定义为char wst[16],wst[0]代表 0～7页，如要查看第x号页是否分配， 可用如下语句if ((wst[x/8]&(1<<x))==0) 2. 可用空间kykj=256/2
运行命令
1. 从键盘上接收命令，命令格式为 12345：MOV AX,45678 2. 自动切分命令3个部分，得到两个地址： 12345和45678 3. 把它们自动拆分为页号和页内地址 4. 查选定进程页表，如其所在页没有调入内存， 则查看该进程内存分配表，看是否占完所用物 理页数，如是则根据淘汰算法淘汰一页。然后 申请内存（根据位示图），把申请到的页号填
页式存储管理的基本思想
页式存储管理的基本思想页式存储管理是计算机技术中一种重要的存储管理方式。
它主要作用是将同种数据或程序的大量信息，按一定的方式组织存放在计算机中。
页式存储管理是一种紧凑的存储管理方式，它利用存储器中的分布式空间，以小页（page）为单位，将数据或程序按页存储，由操作系统负责数据在内存和硬盘之间的移动及调度。
页式存储管理有利于节约存储空间，以页（page）为单位，允许页面的内存空间结构和每一页的长度可以不相同，可以提高存储空间的利用率。
此外，运用页式存储管理的分页机制，可以更有效地把可执行程序装入内存，根据指令执行时只需要存取对应的页面，从而减少缓存访问次数，提高性能。
页式存储管理分三种：静态分页，动态分页和段式存储管理，其中静态分页最为常见。
静态分页是一种简单的分页管理方式，它使用的是定长页表项，把物理页面和可访问性（可读可写）状态进行映射，只要访问某个内存页，CPU就能在页表中定位页面的存储位置，这样就可以节省CPU时间，便于管理。
动态分页也叫做动态分区，它是一种更加灵活的分页存储管理方式，它使用变长页表项，可以在程序执行过程中根据程序运行状况从所分配的内存中释放一些无用的内存页，并从存储器中重新调配一些可用的内存页，使得系统能够更加灵活地管理内存资源。
但是，由于程序运行状况的不断变化，因此在程序执行过程中，CPU需要大量的时间来进行页表的变换，从而影响了程序的性能。
段式存储管理是一种比页式存储管理更加灵活的存储管理方式，它使用的是变长的段表项，可以访问任意的位置块，不受页面大小的限制。
段式存储管理可以有效地利用内存资源，可以将比较大的内存空间分割成若干小空间，并且可以依据实际情况调整段的大小，从而使得内存的利用率更加有效。
总的来说，页式存储管理是一种重要的存储管理方式，能够有效地节约存储空间，提高存储空间的利用率，减少缓存访问次数，提高系统性能，但是同时也会增加系统的管理和维护开销，因此，它的选择和应用要得当，以达到最佳的存储效果。
课件：页式虚拟存储管理
将该页登记入快表
硬件处理 操作系统处理
• 现代OS的主流存储管理技术
• 首次只把进程第一页信息装入主存， 称为请求页式存储管理
页式虚拟存储管理的页表
• 需要扩充页表项，指出：
– 每页的虚拟地址、实际地址 – 主存驻留标志、写回标志、保护标志、
引用标志、可移动标志
标志位 主存块号 辅助存储器地址 第0页
第n页
页式虚拟存储管理的实现
• CPU处理地址 –若页驻留，则获得块号形成绝对地址 – 若页不在内存，则CPU发出缺页中断
• OS处理缺页中断 –若有空闲页架，则根据辅存地址调入 页，更新页表与快表等 –若无空闲页架，则决定淘汰页，调出 已修改页，调入页，更新页表与快表
页式虚拟存储管理的地址转换
按逻辑地址查快表
否 查页表
该页在快表 中有登记吗？
否 该页在主存？ 是
发缺页中断
形成绝对地址
是 形成绝对地址 继续执行指令
保护现场
计算机操作系统
3 存储管理 – 3.3 页式存储管理 3.3.3 页式虚拟存储管理
掌握页式虚拟存储管理的基本思 想
掌握页式虚拟存储管理的页表 掌握页式虚拟存储管理的地址转
换 掌握缺页中断的处理流程源自页式虚拟存储管理的基本思想
• 把进程全部页面装入虚拟存储器，执 行时先把部分页面装入实际内存，然 后，根据执行行为，动态调入不在主 存的页，同时进行必要的页面调出
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使用成本太高
11
有 效 位 标志 数据
全相联映像方式
数 据 比 较
CACHE
主 存 储 器
主存字块标记
主存地址
译码
CPU
主存字块标记 块内地址
12
全相联硬件实现举例
31 30 ……… 3 2 1 0 30
有效位 标记
0
数据
有效位 标记
1
数据
…… ……
有效位 标记
1023
数据
=
=
=
……
1024-1选择器
完全随意对应、一对多硬性对应和多对多有限随意对应
提高Cache性能，降低成本
Cache的容量、分层组织、接入方式等方面
8
P215
CACHE的基本运行原理
地址总线
CPU
CACHE ADDR DATA 比较选一行 CACHE CONTROL
数 据 总 线
读 过 程 为 例
译码选一单元
MEMORY
9
CACHE的3种映像方式
地址映像：把一主存单元的数据复制到CACHE中
时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关 系处理后写进CACHE的标志字段，这一过程被称 为CACHE的地址映像。 地址变换：在程序执行时，还要把主存地址变换 为访问CACHE的地址，这一过程被叫做CACHE 的地址变换。 CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全 相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像 方式，3种映像方式有各自的优缺点。
命中
数据
13
计算机原理及系统结构
第三十六讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
直接映像方式
直接映像方式：是指主存的一个字块只能映像到 CACHE的一个准确确定的字块中。 直接映像方式特点：
主存的字块只可以和固定的Cache字块对应，方式直接， 利用率低。 标志位较短，比较电路的成本低。如果主存空间有2m 块，Cache中字块有2c块，则标志位只要有m-c位。且 仅需要比较一次。
19
多路组相联硬件实现举例
Address 31 30 12 11 10 9 8 22 8 321ຫໍສະໝຸດ 0访问概率地址空间
两种局部性：时间局部性和空间局部性
时间局部性：最近被访问的信息很可能还要被访问。 将最近被访问的信息项装入到Cache中。 空间局部性：最近被访问的信息临近的信息也可能被访问。 将最近被访问的信息项临近的信息一起装入到Cache中。
5
高速缓冲存储器（Cache）
用途：设置在 CPU 和 主存储器之间，完成高速 与 CPU 交换信息，尽量避免 CPU不必要地多次 直接访问慢速的主存储器，从而提高计算机系统 的运行效率。 实现：这是一个存储容量很小，但读写速度更快 的，以 关联存储器方式 运行、用静态存储器芯 片实现的存储器系统。 要求：有足够高的命中率，既当 CPU需用主存中 的数据时，多数情况可以直接从CACHE中得到， 称二者之比为命中率。
6
计算机原理及系统结构
第三十五讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
CACHE的基本运行原理
Cache存储单元的组成部分
数据字段：保存从主存单元复制过来的数据 标志字段：保存相应主存单元的地址信息 有效位字段：标识数据字段和标志字段的是否有效
Cache单元的大小：cache line size（几个主存字，减少标志位位 数，较少Cache总容量） Cache与主存交换数据的单位： cache line size（充分利用空间局 部性） Cache单元与主存单元的对应关系，例如：
10
全相联映像方式
全相联映像方式：是指主存的一个字块可以映像 到整个CACHE的任何一个字块中。 全相联映像方式特点：
主存的字块可以和Cache的任何字块对应，利用率高， 方式灵活。 标志位较长，比较电路的成本太高。如果主存空间有 2m块，则标志位要有m位。同时，如果Cache有n块， 则需要有n个比较电路。
计算机原理及系统结构
第三十四讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
第8章
高速缓冲存储器和虚拟存储器
本章主要内容
高速缓冲存储器（Cache）
高速缓存的基本运行原理 高速缓存的3种映像方式 高速缓存使用中的几个问题
虚拟存储器概述 段式存储管理 页式存储管理
虚拟存储器
3
微电子技术发展趋势
CPU与DRAM性能比较
利用率低，命中率低，效率较低
15
有 效 位
直接映像方式
CACHE
标志
数据
数 据
cache 字块 地址
比 较
主存 字块 标记
译 码
主 存 储 器
主存地址
译码 CPU
主存字块 标记
cache字块 地址
块内 地址
16
直接映像硬件实现举例
Address (showing bit positions) 31 30 13 12 11 210
10 1
ê · Ä Ý
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
P214
4
程序的局部性原理
程序在一定时间段内通常只访问较小的地址空间
Byte offset
Hit
20 Tag Index
10
Data
Index Valid Tag 0 1 2
Data
1021 1022 1023 20 32
17
多路组相联映像方式
多路组相联映像方式：是对全相联映像和直接映想象的 一种折衷的处理方案。既不在主存和CACHE之间实现字 块的完全随意对应，也不在主存和CACHE之间实现字块 的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。
1000 ¦ ¶ Ä û ¶ ¨Â É 100
Ü Ô Ä Ð
CPUÓ ë ÷ Ö æ ´ ¢ ´ Æ ÷Ä µ Ð Ô Ä Ü ² î ì £ Ò ¬ à ¿ Ä ê ö Ô ³ ¤50% ¶ ¬ ¯ Ì ´ æ ¢ ´ Æ ÷Ð Ô Ä Ü ¿ Ä Ã ê ö Ô ³ ¤9%
DRAM CPU
´ í ¦ À Æ ÷Ô Ð Ä Ü Ã ¿ Ä ê ö ³ Ô ¤60%
多路组相联映像方式特点： 折衷方案。组间为全相连，组内为直接映像。 集中了两个方式的优点。成本也不太高。
最常用的CACHE映像方式
18
有 效 位 标志
两路组相联映像方式
比较
CACHE 比较
主存地址
主存字 块标记
译码
数 据
主 存 储 器
数据
译码
组地址
译码 CPU
主存字块 标记
组地址
块内 地址