操作系统存储管理中的地址变换

# 操作系统存储管理中的地址变换

[看完整文章请点击这里](http://note.youdao.com/noteshare?id=0ca120aa9ee608dcfa63d266b1cbda25)

要了解操作系统的存储管理，我们首先需要明确这里的存储是指的什么？那么，这里的“存储”是指，计算机的内存和外存（比如：硬盘）。目前，大多数的操作系统都采用虚拟存储器的方式来管理存储。所谓虚拟存储技术，即在内存中保留一部分程序和数据，在外存中放置整个地址空间的副本。就是说程序的大部分数据和可执行程序都放在外存上。程序运行时可以访问内存中的数据和程序，如果要访问的程序和数据不在内存中时，就将之前内存中的程序和数据回写到外存，然后从外存中调入所需的程序和数据。

单一连续分区、固定分区、可变分区和可重定位分区，这些存储的组织方式不能实现虚拟存储管理。页式、段式和页段式才是虚拟存储的管理方式。我们这里主要讨论虚拟存储的管理中的地址变换问题。

## 什么是虚拟存储？

我们来假设我们的一个程序以及它运行起来需要的数据一共是1K bit大小。而我们的内存只有512bit。那么我们可以看做虚拟存储大小为1Kbit。即，我们将程序和程序执行的数据整体看做是虚拟存储。那么，虚拟存储的容量是允许大于内存的容量的，也就是所说的虚拟存储的地址范围是可以大于内存的地址范围的。（在非虚拟存储的一些操作系统中，是不允许作业的大小超过内存容量的，因为作业是一次性装载入内存的。）因为，实际运行过程只有一部分程序和数据存放在内存上，大部分存放在外存上。程序运行过程中，程序和数据在操作系统的管理下，在内存和外存之间进行不断的交换。

## 地址变换

我们把内存中的实际地址叫做物理地址，而虚拟存储中的地址叫做逻辑地址。也就是说逻辑地址的范围是允许大于物理地址的范围的。那么，如果按照逻辑地址在内存中寻址，就会产生错误。这怎么办？幸运的是计算机硬件会在存储管理的过程中，帮我们把逻辑地址转换成物理地址。

## 页式存储管理的地址交换

页式存储是将虚拟存储的数据按页分割。然后在内存中按照虚拟存储中页的大小，开辟与页数相同的区。再在内存中创建一个页表。页表中记录虚拟存储的页号和一页开始的物理地址。最后，在控制寄存器中记录页表的长度和页表的物理地址。那么，页式管理的逻辑地址就由页号和页内偏移（即页内存储块的序号）组成。

|页号|页内偏移|
|---|---|
|0|0000010|

上表中的逻辑地址表示，第0页中的第2（0000010转十进制为2）个存储块（都是从0计数）。通过页内偏移的位数（7位），我们能够确定页的大小为`$2^7$`bit。因为，地址最大值为`$2^7-1$`。

系统在根据逻辑地址寻址时，首先从寄存器的页表地址中，找到页表。然后按照页表找到逻辑地址中页号对应的页的起始物理地址。用这个起始地址加上逻辑地址中的页内偏移，就得到了该逻辑地址对应的物理地址。

下面我们来看一个例子。我们在寄存器中存放了页表的信息如下表：

|页表长度|页表地址|
|---|---|
|512K|010000|

假定页大小为8K，按照下面的页表计算，逻辑地址为9612的物理地址是多少？

|页号|物理块号|
|---|---|
|0|1|
|1|3|
|2|5|

操作系统根据寄存器中存储的页表物理地址，找到页表。上面关于寄存器的描述其实跟我们计算物理地址没有什么关系，主要是需要一个让操作系统找到页表的方式。

因为，`$8K=2^{13}$`，所以我们可以确定页内地址有13位。逻辑地址9612转成二进制为10 0101 1000 1100，所以其中低13为为页内偏移，高位为页号。那么，页号为1的页物理块号为3（二进制为11）。所以，物理块号与页内偏移合并后得到物理地址110 0101 1000 1100，转换为十进制为25 996。

|注意|
|---|
|这里的物理块号，并不是物理地址。物理块号作为高位，页内偏移作为低位，即得到合并的物理地址。|

在段式管理中，逻辑地址转物理地址的算法与页式管理基本一致。

下面是转换流程图。

```
graph TD;
a((开始))-->b[在寄存器中找到页表的物理地址即找到页表];
b-->c[在页表中找到对应的页号所对应的物理块号];
d[页号]-->c;
c-->e[合并物理块号和页内偏移];
f[页内偏移]-->e;
e-->g[物理地址];
g-->h((结束));
```

## 段页式地址转换

段页是地址转换，其实就是在页式转换前加入段表寻址，并且寄存器中存储的是段表的长度和段表的物理位置。

段页式管理逻辑地址：

|段号|页号|页内偏移|
|---|---|---|

寄存器：

|段表长度|段表物理地址|
|---|---|

段表结构：

|段号|页表长度|页表物理地址|
|---|---|---|

页表结构：

|页号|物理块号|
|---|---|

段页式地址转换流程：

```
graph TD;
a((开始))-->b[在寄存器中找到段表的物理地址即找到页表];
b-->c[在段表中找到段号所对应的页表物理地址];
d[段号]-->c;
c-->e[根据页号找到物理块号];
f[页号]-->e;
e-->g[合并物理块号和页内偏移];
j[页内偏移]-->g;
g-->h[得到物理地址];
h-->i((结束));
```

Holy Null 's Blog

导航

最近发表

友情链接