九、操作系统——基本地址变换机构(详解)

一、概览

重点理解、记忆基本地址变换机构(用于实现逻辑地址到物理地址转换的一组硬件机构)的原理和流程
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二、基本地址变换机构

基本地址变换机构可以借助进程的页表将逻辑地址转换为物理地址。
通常会在系统中设置一个页表寄存器(PTR),存放页表在内存中的起始地址F和页表长度M。进程未执行时,页表的始址和页表长度放在进程控制块(PCB)中,当进程被调度时,操作系统内核会把它们放到页表寄存器中。
注意:页面大小是2的整数幂
设页面大小为L,逻辑地址A到物理地址E的变换过程如下:

①根据逻辑地址计算出页号、页内偏移量
②判断页号是否越界:页表长度就是页表中页表项的个数,有多少个页表项就有多少个页面。如果页号P >= 页表长度M,则抛出越界中断。否则,进入③
③查询页表,找到页号对应的页表项,确定页面存放的内存块号:根据页号P和页表起始地址F得到该页号对应的页表项在内存块中的地址=页号P*页表项大小+页表起始地址F。通过页表项在内存块中的地址,找到这个页表项之后,便可以得到页表项中的内存块号,然后进入④
④用内存块号和页内偏移量得到物理地址b号内存块号(即P号页面)在内存中的起始地址=b*每个内存块的大小。然后得到物理地址 = 内存块号 * 每个内存块的大小 + 页面偏移量
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⑤访问目标内存单元
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①计算页号P页内偏移量W(如果用十进制数手算,则P=A/L,W=A%L;但是在计算机实际运行时,逻辑地址结构是固定不变的,因此计算机硬件可以更快地得到二进制表示的页号、页内偏移量)
②比较页号P和页表长度M,若P>=M,则产生越界中断,否则继续执行。(注意:页号是从0开始的,而页表长度至少是1,因此P=M时也会越界
③页表中页号P对应的页表项地址=页表起始地址F+页号P*页表项长度,通过页表项地址找到这个页表项,并取出该页表项内容b,即为内存块号。(注意区分页表项长度、页表长度、页面大小的区别。页表长度指的是这个页表中总共有几个页表项,即总共有几个页;页表项长度指的是每个页表项占多大的存储空间页面大小指的是一个页面占多大的存储空间),页面大小L
④计算E=b*L+W,用得到的物理地址E去访存。(如果内存块号、页面偏移量是用二进制表示的,那么把二者拼接起来就是最终的物理地址了)

例:若页面大小L为1K字节,页号2对应的内存块号b=8,将逻辑地址A=2500转换为物理地址E。
等价描述:某系统按字节寻址,逻辑地址结构中,页内偏移量占10位(说明一个页面的大小为2^10 B=1KB),页号2对应的内存块号b=8,将逻辑地址A=2500转换为物理地址E。
解:
①计算页号、页内偏移量
页号P=A/L=2500/1024=2;页内偏移量W=A%L=2500%1024=452
②根据题中条件可知,页号2没有越界,其存放的内存块号b=8(容易被忽略的步骤)
物理地址E=b*L+W=8*1024+452=8644在分页存储管理(页式管理)的系统中,只要确定了每个页面的大小,逻辑地址结构就确定了。因此,页式管理中地址是一维的。即,只要给出一个逻辑地址,系统就可以自动地算出页号、页内偏移量两个部分,并不需要显式地告诉系统这个逻辑地址中,页内偏移量占多少位。

三、对页表项大小的进一步探讨

每个页表项的长度是相同的,页号是“隐含”的
Eg:假设某系统物理内存大小为4GB,页面大小为4KB,的内存总共会被分为2^32 / 2^12 = 2^20 个内存块,因此内存块号的范围应该是 0~2^20-1。因此至少要20个二进制位才能表示这么多的内存块号,因此至少要3个字节才够(每个字节8个二进制位,3个字节共24个二进制位)

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各页表项会按顺序连续地存放在内存中。如果该页表在内存中存放的起始地址为x,则M号页对应的页表项是存放在内存地址为X+3*M
一个页面为4KB,则每个页框可以存放4096/3=1365个页表项,但是这个页框会剩余4096%3=1B页内碎片。因此,1365号页表项存放的地址为X+3*1365+1。而如果每个页表项占4字节,则每个页框刚好可存放1024个页表项。
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1024号页表项虽然是存放在下一个页框中的,但是它的地址依然可以用X+4*1024得出

结论:理论上,页表项长度为3B即可表示内存块号的范围,但是,为了方便页表的查询,常常会让一个页表项占更多的字节,使得每个页面恰好可以装得下整数个页表项

四、总结

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