计算机操作系统25，26
第二十五课：分页存储管理（Paging）
一、为什么需要分页？
先回顾动态分区。
假设内存：
高地址 ---------------- 程序A ---------------- 空闲10MB ---------------- 程序B ---------------- 空闲20MB ---------------- 程序C ---------------- 空闲30MB现在来了一个程序：
需要：
50MB怎么办？
虽然：
空闲：
10+20+30=60MB但是：
没有连续50MB。
所以：
放不进去。
这就是：
外部碎片问题。
分页的思想：
不要要求连续。
例如：
程序需要：
50MB。
拆成：
5个10MB。
可以：
放：
内存： 第1块 第7块 第20块 第35块 第100块只要：
有空间：
就可以。
二、分页的基本思想
分页：
把：
两个东西：
都切小。
① 程序切成：
页（Page）
也叫：
页面。
例如：
程序：
大小：
16KB。
规定：
每页：
4KB。
那么：
分成：
4页。
程序 页0 页1 页2 页3② 内存切成：
页框（Frame）
也叫：
物理块。
例如：
内存：
切成：
4KB一块。
内存： 块0 块1 块2 块3 ...注意：
非常重要：
页大小 = 页框大小
为什么？
因为：
这样：
一页：
刚好：
放入：
一个页框。
三、页和页框的关系
程序：
看到：
页内存：
实际：
存放：
页框关系：
程序 页0 ↓ 内存 页框5 程序 页1 ↓ 内存 页框9所以：
必须：
有一个表：
记录：
对应关系。
这个表：
叫：
页表（Page Table）
四、页表是什么？
简单理解：
就是：
一个：
地址转换表。
例如：
程序：
认为：
自己：
有：
4页。
页表：
记录：
页号 页框号 0 → 5 1 → 9 2 → 3 3 → 8意思：
程序访问：
页0。
操作系统：
查页表。
发现：
页0：
在：
页框5。
于是：
去：
物理内存：
第5块：
找。
五、逻辑地址如何转换？（★★★★★）
这是分页最重要内容。
CPU产生：
不是：
物理地址。
而是：
逻辑地址。
逻辑地址：
分成：
两个部分：
逻辑地址 = 页号 + 页内偏移例如：
逻辑地址：
页号 = 2 偏移量 = 100意思：
访问：
第2页：
里面：
第100个字节。
转换：
第一步：
查页表。
找到：
页2：
对应：
页框。
例如：
页2 ↓ 页框8第二步：
组成：
物理地址：
物理地址 = 页框号 + 页内偏移所以：
得到：
页框8 + 偏移100六、一个完整例子（重点）
假设：
页面大小：
4KB某逻辑地址：
8196问：
页号？
偏移？
第一步：计算页号
公式：
页号 = 逻辑地址 ÷ 页面大小也就是：
8196 ÷ 4096因为：
4KB：
=4096字节。
结果：
页号=2第二步：计算偏移
公式：
偏移 = 地址 mod 页面大小所以：
8196 mod 4096得到：
偏移=4所以：
逻辑地址：
8196 ↓ 页号2 偏移4七、为什么分页没有外部碎片？
因为：
所有空间：
都是：
固定大小。
例如：
每页：
4KB。
内存：
全部：
4KB块。
不会出现：
10MB 20MB 30MB这种：
不连续空洞。
但是：
分页有：
新的问题。
八、分页的缺点：内部碎片
例如：
页面大小：
4KB。
程序：
大小：
10KB。
需要：
多少页？
计算：
10÷4=2.5必须：
向上取整：
3页。
占：
3×4=12KB实际：
需要：
10KB。
浪费：
2KB。
这就是：
分页产生：
内部碎片。
九、分页 vs 分区（★★★★★）
| 连续分配 | 分页 | |
|---|---|---|
| 要求连续 | 需要 | 不需要 |
| 碎片 | 外部碎片 | 内部碎片 |
| 管理单位 | 分区 | 页 |
| 灵活性 | 低 | 高 |
十、页表为什么重要？
因为：
分页之后：
程序地址：
不能：
直接：
找到内存。
必须：
转换：
逻辑地址 ↓ 页表 ↓ 物理地址没有页表：
操作系统：
不知道：
页放在哪里。
十一、分页系统运行流程
完整过程：
CPU产生逻辑地址 ↓ 分成： 页号 + 页内偏移 ↓ 查页表 ↓ 得到页框号 ↓ 组合： 页框号 + 偏移 ↓ 访问内存十二、本课重点（★★★★★）
今天必须掌握：
1. 分页思想
把程序分成页，把内存分成页框。
2. 页和页框
关系：
页大小 = 页框大小3. 页表
作用：
记录：
页号 → 页框号4. 地址转换
逻辑地址：
页号 + 页内偏移物理地址：
页框号 + 页内偏移5. 碎片
分页：
没有：
外部碎片。
但是：
有：
内部碎片。
第二十六课：快表（TLB）与多级页表
一、为什么需要快表 TLB？
先回顾：
分页系统。
CPU产生：
逻辑地址：
页号 + 页内偏移然后：
查页表。
例如：
页表：
| 页号 | 页框号 |
|---|---|
| 0 | 5 |
| 1 | 9 |
| 2 | 3 |
| 3 | 8 |
CPU：
访问：
页2。
查：
页2 → 页框3然后：
访问：
页框3。
问题：
页表在哪里？
答案：
也在内存。
所以：
过程：
CPU ↓ 内存（查页表） ↓ 得到地址 ↓ 内存（取数据）需要：
两次内存访问。
二、TLB是什么？
TLB：
全称：
Translation Lookaside Buffer
中文：
快表
它是什么？
一句话：
存放最近常用页表项的小型高速缓存。
注意：
TLB不是替代页表。
而是：
页表的缓存。
类似：
生活例子：
你家：
有一本：
通讯录。
里面：
有所有人的电话。
但是：
你经常联系的人：
号码：
你直接记脑子里。
对应：
通讯录 = 页表 脑中记忆 = TLB三、使用TLB后的地址转换
流程：
变成：
CPU产生逻辑地址 ↓ 查询TLB ↓ 找到？ ↓ 是 ↓ 直接得到页框号 ↓ 访问内存如果：
TLB没有找到：
怎么办？
再查：
页表。
完整流程：
CPU ↓ TLB ↓ 命中？ ↓ 是 → 得到页框 ↓ 否 ↓ 查页表 ↓ 更新TLB四、TLB命中率（考试重点）
定义：
CPU访问的页号，在TLB中找到的概率。
叫：
命中率。
记作：
α。
例如：
命中率：
α=80%意思：
100次访问：
80次：
TLB找到。
20次：
查页表。
五、地址转换时间计算（★★★★★）
这是考试常考计算。
假设：
条件：
- TLB访问时间：20ns
- 内存访问时间：100ns
- TLB命中率：80%
求：
平均访问时间。
情况1：TLB命中
流程：
访问TLB ↓ 访问内存时间：
20 + 100
=
120ns
情况2：TLB未命中
流程：
访问TLB ↓ 访问页表 ↓ 访问数据时间：
20 + 100 + 100
=
220ns
平均时间
公式：
有效访问时间 = 命中率×命中时间 + 未命中率×未命中时间代入：
=0.8×120 + 0.2×220计算：
=96+44 =140ns所以：
平均访问时间：
140ns六、为什么需要多级页表？
现在：
又出现一个问题。
页表本身：
太大。
举例：
一个程序：
地址空间：
32位。
页面大小：
4KB。
计算：
页数量：
2^32 / 2^12 = 2^20页也就是：
约：
100万个页。
一个进程：
页表：
可能：
非常巨大。
但是：
很多地址：
根本没有使用。
例如：
程序：
实际：
只用了：
几个区域。
代码区 ↓ 堆 ↓ 栈中间：
大量空白。
如果：
建立完整页表：
浪费：
巨大。
所以：
出现：
多级页表
七、二级页表思想
核心：
不要一次建立全部页表，只建立需要的部分。
以前：
一级页表：
页号 ↓ 页表 ↓ 页框二级页表：
拆开。
例如：
32位地址：
分成：
一级页号 二级页号 页内偏移结构：
逻辑地址 ↓ 一级页表 ↓ 二级页表 ↓ 页框八、为什么多级页表节省空间？
假设：
程序：
只用了：
一小部分地址。
那么：
一级页表：
只保存：
存在的二级页表地址。
没有使用的：
不创建。
类似：
目录。
一本书：
如果：
每一页：
都建立目录。
很浪费。
所以：
先：
一级目录。
需要：
再：
展开：
二级目录。
九、页表项里面有什么？
考试可能问。
一个页表项：
通常包括：
页框号 + 状态位 + 访问权限 + 修改位例如：
状态位
表示：
页面：
是否：
在内存。
权限位
表示：
能否：
读写执行。
修改位
表示：
页面：
是否：
被修改。
用于：
页面置换。
后面会讲。
十、本课核心总结
1. TLB是什么？
页表项的高速缓存。
作用：
提高地址转换速度。
2. 地址转换顺序
有TLB：
CPU ↓ TLB ↓ 页表 ↓ 内存3. TLB命中
一次：
访问：
TLB + 内存。
4. TLB未命中
需要：
TLB + 页表 + 数据5. 多级页表
目的：
减少页表占用空间。
思想：
用多少，建多少。
十一、口诀（★★★★★）
TLB：
先查快表，命中直接走；没命中，再查页表。
多级页表：
页表太大，分级保存。