內存管理-分頁機制ppt課件

1、之分頁內存管理之分頁內存管理教材：湯子瀛教材：湯子瀛獲部級優(yōu)秀教材獲部級優(yōu)秀教材主講：柳軍主講：柳軍 內存管理之分頁機制內存管理之分頁機制0 x00403370進程進程A0 x00403370進程進程B？華南虎華南虎 vs 東北虎東北虎眼見為實：和平共處，此圖絕無造假眼見為實：和平共處，此圖絕無造假和平共處和平共處的并不復雜的并不復雜-簡單說就是查表轉換分頁地址變換簡單說就是查表轉換分頁地址變換0 x00403370進程進程 A的線的線性地址空間性地址空間0 x00403370進程進程 B的線的線性地址空間性地址空間物理內存物理內存A 的的分頁分頁地址地址變換變換機制機制B 的的分頁分頁地址地

2、址變換變換機制機制34860 x002038160 x0134370中心提示：中心提示： 地址變換可以將進程之間相互重疊的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線性地址變換到不同的“物理地址，物理地址，從而防止了真正意義上的地址從而防止了真正意義上的地址“沖突，沖突，實現(xiàn)了進程之間的相互隔離。此外還能實實現(xiàn)了進程之間的相互隔離。此外還能實現(xiàn)其它很多益處，因此現(xiàn)代的操作系統(tǒng)都現(xiàn)其它很多益處，因此現(xiàn)代的操作系統(tǒng)都采用地址變換進展內存管理。采用地址變換進展內存管理。對對“線性地址的認識：線性地址的認識：1、邏輯地址：匯編言語、邏輯地址：匯編言語 (段段:偏移偏移) mov bx,10

3、00H mov ds,bx mov al,10H2、線性地址：由邏輯地址轉換得到、線性地址：由邏輯地址轉換得到1000H ds左移左移 4 位位10000H (實方式下實方式下)+ 10H 加上段內偏移加上段內偏移10010H3、物理地址：未分頁、物理地址：未分頁 線性地址線性地址 = 物理地址物理地址 分頁維護方式線性地址分頁維護方式線性地址 != 物理地址物理地址Intel x86 CPU 架構下的三種架構下的三種“地址地址闡明：闡明：1、分頁內存管理將進程的線性地址空間分成大小相等的片，、分頁內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，目前頁的大小取稱為頁面或頁，目前頁的

4、大小取 4096 (0 x1000)個字節(jié)。把物理個字節(jié)。把物理內存分成與頁面一樣大小的存儲塊，稱為物理塊或頁框。內存分成與頁面一樣大小的存儲塊，稱為物理塊或頁框。分頁存儲管理之原理闡明：分頁存儲管理之原理闡明：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、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系表，中間用到系表，中間用到 2 種線性表，分別稱為頁目錄表和頁表，表的種線性表，分別稱為頁目錄表和頁表，表的大小都是大小都是 4096 個字節(jié)。個字節(jié)。(關系見下頁關系見下頁)3、CPU內部為分頁機制提供了硬件支持，以加快變換速度。內部為分頁機制提供了硬件支持，以加快變換速度。第

5、第 0 頁頁0.0 xFFF 0 x1000.0 x1FFF 0 x2000.0 x2FFF第第 1 頁頁第第 2頁頁0 x3000第第 3 頁頁頁目錄表頁目錄表0 x2000頁表頁表04096字節(jié)字節(jié)頁目錄表和頁表的關系：很重要頁目錄表和頁表的關系：很重要闡明：闡明： 為了表征為了表征 32 位地址，表中每個數(shù)位地址，表中每個數(shù)據(jù)都是據(jù)都是 4 Bytes。留意這些表中的數(shù)。留意這些表中的數(shù)據(jù)的低據(jù)的低 12 位都是位都是 0。0121023頁表頁表10 x5000頁表頁表10230 x20000 x60000 x60000 x5000011023011023CR34096字節(jié)字節(jié)0 x90

6、000 x10000 x190000 x210000 x890000 x27000011023頁框頁框二級分頁地址變換機制：重點二級分頁地址變換機制：重點 由操作系統(tǒng)擔任建立由操作系統(tǒng)擔任建立 (內存中內存中) CPU內部高速存放器保管正在運轉進程的頁目錄表首地址內部高速存放器保管正在運轉進程的頁目錄表首地址 頁目錄表頁目錄表頁表頁表物理內存物理內存線性地址線性地址二級分頁地址變換中的根本運算：二級分頁地址變換中的根本運算：線性線性地址地址1010101010100000000010000000010031 22 21 12 11 01、頁內偏移量、頁內偏移量00000001000000000

7、010101010101010& 000000000000000000001111111111110 xFFF-000000000000000000001010101010102、頁目錄表的索引、頁目錄表的索引3、頁表的索引、頁表的索引0000000100000000001010101010101000000000000000000000000000000100右移右移22次次0000000100000000001010101010101000000000000000000001000000000010右移右移12次次& 0000000000000000000000111111

8、11110 x3FF00000000000000000000000000000010中心提示：中心提示： 雖然我們在這里計算了這些數(shù)據(jù)，但即使是雖然我們在這里計算了這些數(shù)據(jù)，但即使是寫操作系統(tǒng)，這些步驟也是不用的。從線性地址寫操作系統(tǒng)，這些步驟也是不用的。從線性地址到物理地址之間的查表轉換由到物理地址之間的查表轉換由 CPU 內部自動進內部自動進展，無需人工干涉。展，無需人工干涉。物理內存物理內存二級分頁地址的完好運轉流程：重中之重二級分頁地址的完好運轉流程：重中之重線性線性地址地址1010101010100000000010000000010031 22 21 12 11 0物理內存物理內存

9、0 x002000CR3(PDBR)0 x002000頁目錄表頁目錄表起始地址起始地址0 x003000012340 x0020190 x0020190 x0020190 x0020190 x003000頁表起始頁表起始地址地址0 x0060000 x00006AAAX0 x00000AAA0 x002FFF0 x003FFF+ 0 x00006000-0 x00006AAA012思索思索15秒：秒： 啟用分頁內存管理之啟用分頁內存管理之后帶來的明顯的不利景后帶來的明顯的不利景象是什么？象是什么？二級分頁地址機制帶來的問題：二級分頁地址機制帶來的問題：線性線性地址地址1010101010100

10、000000010000000010031 22 21 12 11 00 x01002AAA1、無分頁、無分頁0 x01002AAA物理內存物理內存2、開啟分頁機制、開啟分頁機制CR3(頁目錄表頁目錄表) X1次次頁表頁表第第1次次頁框頁框第第2次次 X第第3次次頁框就是物理內存頁頁框就是物理內存頁的邊境，即起始地址的邊境，即起始地址中心提示：中心提示： 二級分頁地址機制帶來的嚴重問題就是內存二級分頁地址機制帶來的嚴重問題就是內存訪問效率的嚴重下降，由不分頁時的訪問效率的嚴重下降，由不分頁時的 1 次，上升次，上升到了到了 3 次，這個問題必需處理。次，這個問題必需處理。 知錯能改知錯能改 善

11、莫大焉善莫大焉關于關于 CPU 的一些知識：的一些知識：1、衡量、衡量CPU性能的目的，除存放性能的目的，除存放器字長、主頻外，器字長、主頻外，CPU內部內部Cache容量是非常重要的。容量是非常重要的。2、CPU內部的內部的 Cache 是靜態(tài)存是靜態(tài)存儲器儲器(SRAM)，不同于普通的內存，不同于普通的內存(DRAM)。3、由于、由于 Cache 的制造本錢很高昂的制造本錢很高昂，Cache的容量都不大的容量都不大Mbytes量級。量級。計算機內部各主要器件的任務速度對比：計算機內部各主要器件的任務速度對比： 1、CPU：典型任務頻率：典型任務頻率3GHz，最快含，最快含Cache 2、D

12、RAM：普通內存，：普通內存，DDR800，實踐頻率，實踐頻率400M 3、硬盤：、硬盤：7200轉，數(shù)據(jù)傳輸率轉，數(shù)據(jù)傳輸率 40MB100MB/S 4、以太網：、以太網：100Mbits/S ，數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)傳輸率 12.5MB/S 5、打印機：、打印機：10B1KB/S 6、鍵盤：、鍵盤： 10B/S利用利用Cache實現(xiàn)地址的快速變換：實現(xiàn)地址的快速變換：頁目錄表頁目錄表頁表頁表物理內存物理內存CPU內部內部高速運轉高速運轉CacheCache 為了提高地址變換速度，可在地址變換機構中增設一個具為了提高地址變換速度，可在地址變換機構中增設一個具有并行查尋才干的特殊高速緩沖存放器，又稱

13、為有并行查尋才干的特殊高速緩沖存放器，又稱為聯(lián)想存放器聯(lián)想存放器(Associative Memory)，或稱為，或稱為快表快表，在，在IBM系統(tǒng)中又取名系統(tǒng)中又取名為為TLB(Translation Lookaside Buffer)，用以存放當前訪問的那，用以存放當前訪問的那些頁目錄表和頁表項。些頁目錄表和頁表項。 此時的地址變換過程是：在此時的地址變換過程是：在CPU給出線性地址后，由地址給出線性地址后，由地址變換機構自動地先在變換機構自動地先在快表快表中進展查表轉換，假設轉換勝利，中進展查表轉換，假設轉換勝利，那么稱為那么稱為命中命中，目前的，目前的命中命中率高達率高達 90%以上，使

14、分頁機以上，使分頁機制帶來的性能損失降低到了可接納的程度。假設在制帶來的性能損失降低到了可接納的程度。假設在快表快表中進中進展查表轉換失敗，那么退縮為普通的地址變換，概率小于展查表轉換失敗，那么退縮為普通的地址變換，概率小于 10%。利用利用Cache實現(xiàn)地址的快速變換：實現(xiàn)地址的快速變換：至此分頁機制才干得以流暢運轉至此分頁機制才干得以流暢運轉分頁機制之進階：分頁機制之進階：進程的線性地址空間進程的線性地址空間物理內存物理內存頁目錄表頁目錄表頁表頁表頁表頁表中心提示：中心提示： 分頁機制可以將進程的數(shù)據(jù)離散地存放分頁機制可以將進程的數(shù)據(jù)離散地存放到物理內存中，不再需求延續(xù)的內存空間，到物理內

15、存中，不再需求延續(xù)的內存空間，大大方便了內存管理。大大方便了內存管理。 但是，物理內存終究是很有限的，如何但是，物理內存終究是很有限的，如何在有限的內存中，運轉更多的程序呢？換句在有限的內存中，運轉更多的程序呢？換句話說如何擴展物理內存呢？思索話說如何擴展物理內存呢？思索10秒秒分頁機制之結束：虛擬內存分頁機制之結束：虛擬內存 海納百川海納百川 有容乃大有容乃大 在計算機的存儲設備中什么部件的容量是最在計算機的存儲設備中什么部件的容量是最大的？大的？ 那么硬盤真能充作內存來運用嗎？是那么硬盤真能充作內存來運用嗎？是濫竽濫竽充數(shù)充數(shù)還是還是畫龍點睛畫龍點睛？ 答案是：可以，而且絕大多數(shù)人目前都在

16、用答案是：可以，而且絕大多數(shù)人目前都在用，而且絕大多數(shù)人還不知道本人正在這樣用。，而且絕大多數(shù)人還不知道本人正在這樣用。 為他是計算機系的學生而驕傲吧，他知道了為他是計算機系的學生而驕傲吧，他知道了更多的關于計算機的微妙，雖然他也是剛剛剛知更多的關于計算機的微妙，雖然他也是剛剛剛知道。道。硬盤硬盤 分頁機制之結束：虛擬內存的實現(xiàn)機制分頁機制之結束：虛擬內存的實現(xiàn)機制進程的線性地址空間進程的線性地址空間物理內存物理內存頁目錄表頁目錄表頁表頁表內內存存已已滿滿物理硬盤物理硬盤虛擬內存虛擬內存？ 中心提示：中心提示： 在前面的引見中提到，頁目錄表和頁表中在前面的引見中提到，頁目錄表和頁表中的的 32 位地址值的低位地址值的低 12 位都位都天生天生就是就是 0 。為。為實現(xiàn)虛擬內存機制，需求利用這實現(xiàn)虛擬內存機制，需求利用這 12 位，當然位，當然還需求其它硬件上的支持。還需求其它硬件上的支持。分頁機制之結束：虛擬內存的實現(xiàn)機制分頁機制之結束：虛擬內存的實現(xiàn)機制頁表中的數(shù)據(jù)項留意低頁表中的數(shù)據(jù)項留意低 12 位進展了重定義位進展了重定義1:表示該頁在內存，表示該頁在內存，0:表示在硬盤上表示在硬盤上欲從此處獲得該欲從此處獲得該物理頁物理頁的起始地址，需將此的起始地址，需將此值和值和0 xFFFFF000相？，以將低相？，以將低 12 位清