內(nèi)存管理-分頁機制.ppt

之分頁內(nèi)存管理,操作系統(tǒng)原理,教材：湯子瀛計算機操作系統(tǒng) 獲部級優(yōu)秀教材,主講：柳軍,內(nèi)存管理之分頁機制,思考：不同進程的地址空間是相互沖突還 是和平共處？,還是“和平共處“？,眼見為實：（和平共處，此圖絕無造假）,“和平共處“的秘密并不復(fù)雜 -簡單說就是查表轉(zhuǎn)換（分頁地址變換）,0x00403370,進程 A的線性地址空間,0x00403370,進程 B的線性地址空間,物理內(nèi)存,A 的分頁地址變換機制,B 的分頁地址變換機制,核心提示： 地址變換可以將進程之間相互重疊的“線性地址”變換到不同的“物理地址”，從而避免了真正意義上的地址“沖突”，實現(xiàn)了進程之間的相互隔離。此外還能實現(xiàn)其它很多好處，因此現(xiàn)代的操作系統(tǒng)都采用地址變換進行內(nèi)存管理。,對“線性地址”的認識：,1、邏輯地址：匯編語言 (段:偏移) mov bx,1000H mov ds,bx mov al,10H,2、線性地址：由邏輯地址轉(zhuǎn)換得到,3、物理地址：未分頁 線性地址 = 物理地址 分頁（保護模式）線性地址 != 物理地址,Intel x86 CPU 架構(gòu)下的三種“地址”,說明： 1、分頁內(nèi)存管理將進程的線性地址空間分成大小相等的片，稱為頁面或頁，目前頁的大小取 4096 (0x1000)個字節(jié)。把物理內(nèi)存分成與頁面相同大小的存儲塊，稱為物理塊或頁框。,分頁存儲管理之原理說明：,2、操作系統(tǒng)為進程建立從線性地址頁到物理地址頁的變換關(guān)系表，中間用到 2 種線性表，分別稱為頁目錄表和頁表，表的大小都是 4096 個字節(jié)。(關(guān)系見下頁) 3、CPU內(nèi)部為分頁機制提供了硬件支持，以加快變換速度。,頁目錄表,0x2000,頁表0,4096 字節(jié),頁目錄表和頁表的關(guān)系：（很重要）,說明： 為了表征 32 位地址，表中每個數(shù)據(jù)都是 4 Bytes。注意這些表中的數(shù)據(jù)的低 12 位都是 0。,0,1,2,1023,頁表1,0x5000,頁表1023,0x2000,0x6000,0x6000,0x5000,0,1,1023,0,1,1023,CR3,4096 字節(jié),0x9000,0x1000,0x19000,0x21000,0x89000,0x27000,0,1,1023,頁框,二級分頁地址變換機制：（重點）,由操作系統(tǒng)負責建立 (內(nèi)存中),CPU內(nèi)部高速寄存器（保存正在運行進程的頁目錄表首地址）,頁目錄表,頁表,物理內(nèi)存,線性地址,二級分頁地址變換中的基本運算：,線性 地址,101010101010,0000000010,0000000100,31 22 21 12 11 0,1、頁內(nèi)偏移量,00000001000000000010101010101010,& 00000000000000000000111111111111,0xFFF,- 00000000000000000000101010101010,2、頁目錄表的索引,3、頁表的索引,00000001000000000010101010101010,00000000000000000000000000000100,右移22次,00000001000000000010101010101010,00000000000000000001000000000010,右移12次,& 00000000000000000000001111111111,0x3FF,00000000000000000000000000000010,核心提示： 盡管我們在這里計算了這些數(shù)據(jù)，但即使是寫操作系統(tǒng)，這些步驟也是不必的。從線性地址到物理地址之間的查表轉(zhuǎn)換由 CPU 內(nèi)部自動進行，無需人工干預(yù)。,物理內(nèi)存,二級分頁地址的完整運行流程：（重中之重）,線性 地址,101010101010,0000000010,0000000100,31 22 21 12 11 0,物理內(nèi)存,0x003000,0x006000,0x00006AAA,X,0x00000AAA,0x002FFF,0x003FFF,+ 0x00006000,- 0x00006AAA,思考（15秒）： 啟用分頁內(nèi)存管理之后帶來的明顯的不利現(xiàn)象是什么？,二級分頁地址機制帶來的問題：,線性 地址,101010101010,0000000010,0000000100,31 22 21 12 11 0,0x01002AAA,1、無分頁,0x01002AAA,物理內(nèi)存,2、開啟分頁機制,頁框就是物理內(nèi)存頁 的邊界，即起始地址,核心提示： 二級分頁地址機制帶來的嚴重問題就是內(nèi)存訪問效率的嚴重下降，由不分頁時的 1 次，上升到了 3 次，這個問題必須解決。 知錯能改 善莫大焉,關(guān)于 CPU 的一些知識：,1、衡量CPU性能的指標，除寄存器字長、主頻外，CPU內(nèi)部Cache容量是非常重要的。,2、CPU內(nèi)部的 Cache 是靜態(tài)存儲器(SRAM)，不同于普通的內(nèi)存(DRAM)。,3、由于 Cache 的制造成本很高昂，Cache的容量都不大（Mbytes量級）。,計算機內(nèi)部各主要器件的工作速度對比： 1、CPU：典型工作頻率3GHz，最快（含Cache） 2、DRAM：普通內(nèi)存，DDR800，實際頻率400M 3、硬盤：7200轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸率 40MB100MB/S 4、以太網(wǎng)：100Mbits/S ，數(shù)據(jù)傳輸率 12.5MB/S 5、打印機：10B1KB/S 6、鍵盤： 10B/S,利用Cache實現(xiàn)地址的快速變換：,頁目錄表,頁表,物理內(nèi)存,CPU內(nèi)部 高速運轉(zhuǎn),Cache,Cache,為了提高地址變換速度，可在地址變換機構(gòu)中增設(shè)一個具有并行查尋能力的特殊高速緩沖寄存器，又稱為“聯(lián)想寄存器“(Associative Memory)，或稱為“快表“，在IBM系統(tǒng)中又取名為TLB(Translation Lookaside Buffer)，用以存放當前訪問的那些頁目錄表和頁表項。 此時的地址變換過程是：在CPU給出線性地址后，由地址變換機構(gòu)自動地先在“快表“中進行查表轉(zhuǎn)換，若轉(zhuǎn)換成功，則稱為“命中“，目前的“命中“率高達 90%以上，使分頁機制帶來的性能損失降低到了可接收的程度。若在“快表“中進行查表轉(zhuǎn)換失敗，則退縮為一般的地址變換，概率小于 10%。,利用Cache實現(xiàn)地址的快速變換：,至此分頁機制才能得以流暢運轉(zhuǎn),分頁機制之進階：,進程的線性地址空間,物理內(nèi)存,頁目錄表,頁表,頁表,核心提示： 分頁機制可以將進程的數(shù)據(jù)離散地存放到物理內(nèi)存中，不再需要連續(xù)的內(nèi)存空間，大大方便了內(nèi)存管理。 但是，物理內(nèi)存終究是很有限的，如何在有限的內(nèi)存中，運行更多的程序呢？換句話說如何擴充物理內(nèi)存呢？（思考10秒）,分頁機制之完結(jié)：虛擬內(nèi)存,海納百川 有容乃大 在計算機的存儲設(shè)備中什么部件的容量是最大的？ 那么硬盤真能充作內(nèi)存來使用嗎？是“濫竽充數(shù)“還是“畫龍點睛“？ 答案是：可以，而且絕大多數(shù)人目前都在用，而且絕大多數(shù)人還不知道自己正在這樣用。 為你是計算機系的學(xué)生而自豪吧，你知道了更多的關(guān)于計算機的奧妙，雖然你也是剛剛才知道。,硬盤,分頁機制之完結(jié)：虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)機制,進程的線性地址空間,物理內(nèi)存,頁目錄表,頁表,內(nèi)存已滿,物理硬盤,？,核心提示： 在前面的介紹中提到，頁目錄表和頁表中的 32 位地址值的低 12 位都“天生“就是 0 。為實現(xiàn)虛擬內(nèi)存機制，需要利用這 12 位，當然還需要其它硬件上的支持。,分頁機制之完結(jié)：虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)機制,頁表中的數(shù)據(jù)項（注意低 12 位進行了重定義）,1:表示該頁在內(nèi)存，0:表示在硬盤上,欲從此處獲得該“物理頁“的起始地址，需將此 值和“0xFFFFF000“相？