分页存储管理的基本原理-学海无涯，回头是岸

逻辑地址和物理地址

逻辑地址。用户源程序经编译、链接后得到可装入程序。由于无法预先知道程序装入内存的具体位置，因此不可能在程序中直接使用内存地址，只能暂定程序的起始地址为 0。这样，程序中指令和数据的地址都是相对 0 这个起始地址进行计算的，按照这种方法确定的地址称为逻辑地址或相对地址。一般情况下，目标模块（程序）和装入模块（程序）中的地址都是逻辑地址。
逻辑地址空间。一个目标模块（程序）或装入模块（程序）的所有逻辑地址的集合，称为逻辑地址空间或相对地址空间。
物理地址。内存中实际存储单元的地址称为物理地址，物理地址也称为绝对地址或内存地址。为了使程序装入内存后能够正常运行，就必须将程序代码中的逻辑地址转换为物理地址，这个转换操作称为地址转换。
物理地址空间。内存中全部存储单元的物理地址集合称为物理地址空间、绝对地址空间或内存地址空间。由于每个内存单元都有唯一的内存地址编号，因此物理地址空间是一个一维的线性空间。要使装入内存的程序后能够正常运行、互不干扰，就必须将不同程序装入到内存空间的不同区域。
虚拟地址空间。CPU 支持的地址范围一般远大于机器实际内存的大小，对于多出来的那部分地址（没有对应的实际内存）程序仍然可能使用，我们将程序能够使用的整个地址范围称为虚拟地址空间。如 Windows XP 采用 32 位地址结构，每个用户进程的虚拟地址空间为 4GB（232），但可能实际内存只有 2GB。虚拟地址空间中的某个地址称为虚拟地址，而用户进程的虚拟地址就是前面所说的逻辑地址。

分页存储管理的基本原理

1．实现原理

在分页存储管理中，一个程序的逻辑地址空间被划分成若干个大小相等的区域，每个区域称为页或页面，并且程序地址空间中所有的页从 0 开始顺序编号。相应地，内存物理地址空间也按同样方式划分成与页大小相同的区域，每个区域称为物理块或页框，与页一样内存空间中的所有物理块也从 0 开始顺序编号。在为程序分配内存时，允许以页为单位将程序的各个页，分别装入内存中相邻或不相邻的物理块中。由于程序的最后一页往往不能装满分配给它的物理块，于是会有一定程度的内存空间浪费，这部分被浪费的内存空间称为页内碎片。

分页系统中页的选择对系统性能有重要影响。若页划分得过小，虽然可以有效减少页内碎片，并提高内存利用率，但会导致每个进程需要更多的页，这样会使分页系统中用于页管理的页表增大，而占用更多的内存空间。若页划分得过大，虽然可以减少页表大小，并提高页的置换速度，但会导致页内碎片增大，而且当一个页大到能装下一个程序时就退化为分区存储管理了。因此页的大小应适中，分页系统中页的大小取决于机器的地址结构，一般设置为 2 的整数幂，通常为 512B～8KB。

2．逻辑地址结构

在分页存储管理中，程序中的逻辑地址被转换为页号和页内地址。这个转换工作在程序执行时由系统硬件自动完成，整个过程对用户透明。因此用户编程时不需要知道逻辑地址与页号和页内地址的对应关系，只需要使用一维的逻辑地址。

程序的一维逻辑地址空间经过系统硬件自动分页后，形成「页号 + 页内地址」的地址结构。在图所示的地址结构中，逻辑地址通过页号和页内地址来共同表示。其中，0～11 位是页内地址，即每个页的大小是 4KB；12～31 位是页号，即地址空间最多允许有 1M 个页。一维逻辑地址与页号和页内地址的关系是（注：页长即一页的大小）

一维逻辑地址 = 页号 × 页长 + 页内地址

3．数据结构

为了实现分页存储管理，系统主要设置了以下两种表格。

（1）页表

在分页系统中，允许程序所有的页以离散方式分别存储在内存不同的物理块里，为了使程序能够正确运行，必须在内存空间中找到存放每个页的物理块。因此操作系统为每个程序（进程）建立了一张页映射表，简称页表（Page Table），用来存储页号及其映射（装入）的内存物理块号。最简单的页表由页号及其映射的物理块号组成。由于页表的长度由程序所拥有页的个数决定，故每个程序的页表长度通常不同。

（2）内存分配表

为了正确地将一个页装入到内存的某一物理块中，就必须知道内存中所有物理块的使用情况，因此系统建立一张内存分配表来记录内存中物理块的分配情况。由于每个物理块的大小相同且不会改变大小，因此最简单的办法是用一张位示图（Bitmap）来构成内存分配表。位示图是指在内存中开辟若干个字，它的每一位与内存中的一个物理块相对应。每一位的值可以是 0 或 1，当取值为 0 时，表示对应的物理块空闲；当取值为 1 时，表示对应的物理块已分配。此外，在位示图中增加一个字节，来记录内存当前空闲物理块的总数。

4. 地址保护

基本地址转换

在分页存储管理中,系统为每个程序建立了一张页表并存放于内存中当程序被装入内存但尚未运行时,页表始址(页表在内存中的起始地址)和页表长度(程序逻辑地址空间从页号 0 开始划分出的最大页号)等信息被保存到为该程序(进程)创建的 PCB 中,或保存到请求表中一旦进程调度程序调度该进程运行时,其 PCB 中保存的页表始址和页表长度信息(或请求表中这两个的信息)便被装入到页表控制寄存器中,基本地址转换过程如图所示

从基本地址转换过程可知 物理地址 = 物理块号页长 + 页内地址,由于页表驻留在内存,因此当 CPU 依据指令中的逻辑地址进行操作时,至少要两次访问内存

为了提高地址转换的速度,一种行之有效的方法是在地址转换机构中,增加一个具备并行查找能力的高速缓冲寄存器,又称联想存储器(Associative Memory)来构成一张快表,快表中保存着当前运行进程最常用的页号及其映射的物理块号