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3.2 分页存储管理机制（由固定分区存储演化而来）

1. 逻辑页面和物理页框
2. 分页存储的管理表格
3. 分页存储的地址转换 （*）
4. 相联存储于快表技术
5. 物理页框的分配流程

一、逻辑页面和物理页框

（1）逻辑页面：

逻辑页面是指进程的逻辑地址空间按照固定的大小分的若干页面；

不足一页的补齐为一页，依序从$0$、 $1$、.... 编号；

例如：

假设一个逻辑页面是$4kb$，某一进程大小是$15kb$；
则该进程会被分为$4kb、4kb、4kb、3kb$（四个页面，最后一个页面不够$4kb$，可以通过补0的方式填充为$4kb$）

一个进程可能被切分成若干个逻辑页面，这就需要对逻辑地址空间编址；

假设系统用$32$个$bit$来表示逻辑地址，对这些$bit$位划分，第12 ~ 31位$bit$来表示页号，第0 ~ 11位$bit$来表示页内地址（正好$4kb$）；

例如：

第三页的第三个地址就可以表示为：
$0000 0000 0000 0000 0011 0000 0000 0011$
（$0000 0000 0000 0000 0011$为页号，$0000 0000 0011$为页内地址）

（2）物理页框

同样，我们要对内存空间进行划分，内存空间被划分为大小相等的若干存储区，每个存储区被称为页框，从0开始编号；

同样的，我们也要对物理页框进行编址；

我们也可用高位$bit$来表示页框号，低位$bit$来表示页内地址；

页框和逻辑页面的大小是对应的，一个页框可以正好装下一个逻辑页面，一个逻辑页面可以正好放进页框中；

二、分页存储的管理表格

分页存储需要用到多个管理表格；

（1）页表

每一个进程都需要一张页表，如图：

该进程需要$7$个逻辑地址空间，编号为$0 ~ 6$；
这七个逻辑页面在内存中存放的时候，可以不连续存放；（原本连续的进程，在内存中离散的存放，但在一个页面内还是连续的）

由于是离散的存储，如何找到逻辑页面就是关键，主要依赖页表来查找；

页表建立了逻辑页面和物理页框之间的对应关系；
页表就像一个指针一样会指向内存中的一个页框；

通过查找页表就可以知道哪个逻辑页面在哪个页框之中；

在系统中，每一个进程都有一张页表，每一张页表都给出了进程的逻辑页面号和页框的对应关系；

页表本身放在内存，属于进程的现场信息（要放在$PCB$中）；

页表在进程装入内存时，根据内存分配情况建立的；

（2）请求表

请求表管理每个进程的页表的起始地址和长度；

请求表整个系统只有一张；（请求表用来管理所有页表）

页表始址是页表在内存中的位置；

（3）存储页面表

整个系统也只有一张，用于指出内存中各页框是否已经被分配出去以及空闲页面的总数；（管理页框的表格）

存储页面表的构成方式： 位示图和空闲页面链表；

位示图：（很像是邻接矩阵）
在内存中划分一块固定存储区域，每个比特代表一个页框。
如果已被分配，则对应比特位置$1$，否则置$0$。

（空闲页面链表不做介绍）

三、分页存储的地址转换 (逻辑地址转换为物理地址)

图示说明：

当一个进程被调度执行的时候，系统首先会根据请求表求得该进程页表在内存中的位置。

找到位置之后，将页表地址和页表长度放入页表控制寄存器中，然后系统会将进程的逻辑地址和页表控制寄存器中的值进行比对。

如果比对出错，系统返回地址越界错误；
（例如：设该进程有$7$个逻辑页面，则其页号范围是0 ~ 6，若比对得逻辑地址的页号大于$6$，则系统报错退出）

如果不对结果不出错，则根据页表寄存器中的值找到目标页表，再根据页表中的值寻找对应页框，最后将页框号和页内地址相互拼接，得到物理地址；
（之所以能够拼接，是因为虽然页框之间可以是不连续的，但是页面内部是连续存放于页框之中的，所以页内地址是不变的）

四、相联存储与快表技术

（1）相联存储和快表：

出现原因：主要是因为相对CPU来说，对内存的访问速度太慢了；

因此需要在$CPU$和内存之间设置一个高速缓冲存储器，CPU对高速缓冲存储器的访问速度比对内存访问快，根据程序的局部性原理，可以实现CPU对内存和高速缓冲存储器的联合使用。

相联存储就是在$MMU$中设置的专用的高速缓冲存储器，在这个高速缓冲存储器中存放了一个叫快表的表格。
快表是相联存储器中存放的最近访问的部分页表，这样$CPU$要找相应内容时，可以先在高速缓冲存储器中寻找，而不是先去内存中寻找；
（程序局部性原理，最近访问的部分内容将来再次被访问的概率很高）

这样减少了$CPU$和内存的交互次数，转变为和高速缓冲存储器交互，从而提高$CPU$访问速度；

（2）地址转换

有了快表之后，地址转换就变为了如下流程：（不需要对内存操作了）

• 地址变换机构自动将页号与快表中的页号比较；

• 快表存在所要访问的页表项，直接读出对应的页框号；

• 快表中未找到对应的页表项，则访问内存中的页表;

• 同时将此页表项存入快表中，修改快表；

• 若快表已满，则系统需换出某些页表项；

五、物理页框的分配流程

流程如图示：

• 计算所需要的页框数$n$

• 查位示图，是否有$n$个空闲页框

• 如果有足够的空闲页框，则页表长度设为$n$，填入$PCB$中

• 申请页表区，把页表始址填入请求表

• 分配$n$个空闲页框，将页框号和页号填入页表

• 修改位示图