【操作系統】第四章：非連續內存分配（Part1：基於分頁-分段的物理/邏輯地址轉換）

非連續內存的管理方式

引言：連續內存分配的缺點：
1.分配給一個程序的物理地址是連續的
2.內存利用率低
3.有內碎片、外碎片問題
且不論何種適配方式，都不能完全杜絕碎片問題
引入非連續內存分配方法

非連續內存分配方法：解決碎片問題，同時令運行的程序能夠有效地隔離和內存資源管理，還可以支持共享數據和代碼，類似共享庫。
潛在問題：管理開銷本身
如何建立虛擬地址和物理地址之間的轉化（軟件方案/硬件方案）
軟件方案：開銷非常大
硬件方案：開銷相對小，這裏主要介紹分段和分頁機制

分段機制

不同段之間有不同的屬性，我們需要一個方法有效隔離這些不同的斷的話，則有助於我們更好地去管理地址空間。

從應用程序的編寫和運行來說， 他虛擬的邏輯地址空間是一個連續的地址空間。但是雖連續，通過分段後也可以有效的隔離開來。如圖所示，可以把不同的數據、庫、代碼段等相應的分離出來。放在某一個特定的地址用一個特定的管理權限管理起來。分離出來後，可以相互共享或訪問；也可以令一些數據相對隔離，部分只讀部分讀寫。有效地進行管理分配，有效地實現保護機制。
左邊是連續的虛擬地址，右邊是不連續的物理地址，那麼中間就需要一個映射機制來確定相互間的聯繫。
我們把執行程序運行的邏輯地址空間看作一個連續的一維線性數組，通過映射關係，將不同的內存塊（數據、代碼、堆、棧等）分別映射到不同的內存的段中。映射之後，他們大小不同，位置不同。這之間的關係就是通過段管理機制實現的。這種機制也可以用軟件實現，但是開銷會非常大，所以我們儘可能想要用硬件支持。
這裏就需要怎麼通過硬件機制來支持分段的尋址。


一個一維的邏輯地址其實是不同的段組成的，這個段可以不連續。那麼首先，一維地址分成兩塊，一塊是段的尋址和段內的偏移尋址。s和addr放在一起，就形成了以段機制來管理的尋址方式。如果段號s和addr是分開的，那麼是段寄存器+地址寄存器實現方式，x86是典例。另一種是把段和段內偏移合在一起形成一個完整地址，沒有段寄存器來把段的編號單獨管理起來，這是單一地址管理方式。

從一維線性邏輯地址空間映射到不同的物理空間去，而這個物理空間是由不同的段組成的。
詳細過程：
程序通過CPU執行某條指令。CPU就需要去尋址（找數據、代碼在什麼地方），那麼OS會把這個邏輯地址分成兩塊（段號/段內偏移），通過段號希望找到所在物理內存的起始地址；段表會存着邏輯地址和物理地址之間的映射關係，又因爲每一個段的大小不同，所以段表也會存這些信息，也就說段表會放段的起始地址和段的長度限制這兩種信息。段表的索引就是段號，段號決定了在段表中的每一項的位置。有了這些信息，CPU就會通過段表找到對應的段在物理內存中的起始地址。然後CPU會去做一個比對，大小是否滿足限制，滿足則合法，否則將因非法訪問異常，OS將處理。
尋址之前，段表就由OS建立了。

分頁機制

分頁和分段類似，也有頁號，頁內偏移；區別在於，段的尺寸是可變的，而頁的大小是固定不變的。
劃分物理內存至固定大小的幀，大小是2的冪。邏輯的頁和物理的頁都是一樣的，物理的頁幀是8K那麼邏輯的頁幀也是8K。Frame(幀）代表的是物理頁，Page（頁）代表的是邏輯頁。OS需要建立的是邏輯頁地址和物理頁地址的映射關係。其中用到的有快表（TLB）和內存管理單元（MMU）。

頁幀Frame

頁幀是物理內存的組織和佈局方式。組成要素：頁幀號$f$和偏移量$o$。頁幀號佔了F位，也就說整個尋址空間內，有$2^F$的頁幀個數。幀內偏移佔了S位,每幀有$2^S$字節，表示每一頁的大小。（F+S=N【物理地址位數】）可以通過如下方式計算得出頁幀對應的物理地址。
物理地址：$Addr.physical=2^S*f+o$
例題：

頁Page

一個程序的邏輯空間被劃分爲大小相等的頁。區別於頁幀Frame，頁號和幀號可能不同，但是頁內偏移和幀內偏移是相等的。

邏輯地址：$Addr.logical=2^S*p+o$
這樣我們詳細看一下如何完成地址轉換。一個程序生成時，本身他的邏輯地址是一個連續的地址空間而且由大小相同的頁組成，但是邏輯空間和物理空間的整體大小可能不同，這個程序可能佔了很大的空間然而物理空間沒有這麼大，所以有可能出現幀號不等於頁號的情況。


程序運行，CPU（因執行指令或者訪問數據）尋址，地址是一個邏輯地址，這個地址分爲了p和o，然後將頁號p作爲索引index去查頁表，頁表存的是以頁號爲索引的對應項的幀號（frame number）。這個過程還需要頁表基址（邏輯地址從哪開始）。有了這兩個信息，就可以查到對應的幀號。我們可以通過頁號查到幀號，幀號再加上偏移量，就是物理地址。
頁表也是操作系統在操作系統初始化，在使能enable階段建立好的。