操作系统------虚拟存储器请求分页存储管理方式

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-06-11 06:28 110阅读 0赞

**请求分页系统**是建立在基本分页的基础上的，为了能支持**虚拟存储器**功能而增加了**请求调页**功能和**页面置换**功能。

相应地，每次**调入**和**换出**的基本单位都是长度固定的页面，这使得请求分页系统在实现上要比请求分段系统简单。

**请求分段系统**在换进和换出时是**可变长度的段，**因此，请求分页便成为目前最常用的一种实现虚拟存储器的方式。

**请求分页中的硬件支持**

为了实现请求分页，系统必须提供一定的硬件支持。除了需要一台具有一定容量的内存及外存的计算机系统外，还需要有**页表机制**、**缺页中断机构**以及**地址变换机构**。

**1）页表机制**

在请求分页系统中所需要的主要**数据结构**是**页表**。其基本作用仍然是将**用户空间**中的**逻辑地址**变换为**内存空间**中的**物理地址**。

由于只将应用程序的**一部分调入内存**，还有一部分仍在盘上，故需在页表中再增加若干项，供程序（数据）在**换进、换出**时参考。

在请求分页系统中的每个页表项如下所示：

![20160621155937687][]

各字段的说明如下：

*  ** ****状态位P**：用于指示该页**是否已调入内存**，供**程序访问**时参考。
 *  ** 访问字段A**：用于记录本页在**一段时间内被访问的次数**，或记录本页最近已有多长时间未被访问，供选择**换出页面**时参考。
 *  ** 修改位M**：表示该页在调入内存后是否被修改过。供**置换页面**时参考。

由于内存中的每一页都在**外存上有一份副本**，因此，若**未被修改**，在置换该页时就**不需要**将该页写回到外存上，以减少**系统的开销**和**启动磁盘**的次数；若**已被修改**，则必须将该页**重写到外存**上，以保证外存中所保留的始终是最新副本。

*  ** 外存地址**：用于指出该页在外存上的地址，通常是**物理块号**，供**调入该页**时参考。

**2）缺页中断机构**

*  在请求分页系统中，每当所**要访问的页面不在内存**中时，便产生一次**缺页中断**，请求OS将所缺之页调入内存。
 *  缺页中断作为中断，同样需要经历诸如**保护CPU现场、分析中断原因、转入缺页中断处理程序进行处理、恢复CPU现场**等几个步骤。
 *   但**缺页中断**又是一种特殊的中断，它与一般的中断相比，有着明显的区别，主要表现在下面两个方面：
 *  **在指令执行期间产生和处理中断信号**。通常，CPU都是在一条指令执行完成后，才检查是否有中断请求到达。若有，便去响应，否则，继续执行下一条指令。然而，**缺页中断是在指令执行期间**，发现所要访问的指令或数据不在内存时所产生和处理的。
 *  **一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断**。所以，系统中的硬件机构应能保存多次中断时的状态，并保证最后能返回到中断前产生缺页中断的指令处继续执行。

**3）地址变换机构**

*   请求分页系统中的地址变换机构，是在分页系统地址变换机构的基础上，为实现**虚拟存储器**而增加了某些功能而形成的，

如**产生和处理缺页中断**，以及**从内存中换出一页**的功能等等。

*  在进行地址变换时，首先去**检索快表**，试图从中找出所要访问的页。若找到，便修改**页表项**中的**访问位**。对于写指令，还需将**修改位**置成“1”， 然后利用页表项中给出的物理块号和页内地址形成**物理地址**。地址变换过程到此结束。
 *  如果在快表中未找到该页的页表项时，应到**内存**中去**查找页表**，再根据找到的页表项中的**状态位P**，了解**该页是否已调入内存**。
 *  若该页**已调入内存**，这时应将此页的**页表项写入快表**，当快表已满时，应先调出按某种算法所确定的页的页表项；然后再写入该页的页表项。
 *  若该页**尚未调入内存**，这时应产生**缺页中断**，请求OS从**外存**把**该页调入内存**。
 *  **地址变换机构：**
 *   
 *  ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNzc0MTIw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

### 从何处调入页面？ ###

在**请求分页系统中的外存**分为两部分：用于存放文件的文件区和用于存放对换页面的对换区。通常，由于对换区是采用连续分配方式，而文件是采用离散分配方式，故对换区的磁盘I/O速度比文件区的高。这样，每当发生缺页请求时，系统应从何处将缺页调入内存，可分成如下三种情况：

1) 系统拥有**足够的对换区空间**，这时可以全部从对换区调入所需页面，以提高调页速度。

2) 系统**缺少足够的对换区空间**，这时凡是不会被修改的文件，都直接从文件区调入；而当换出这些页面时，由于它们未被修改而不必再将它们换出，以后再调入时，仍从文件区直接调入。但对于那些可能被修改的部分，在将它们换出时，便须调到对换区，以后需要时，再从对换区调入。

3) **UNIX方式**。由于与进程有关的文件都放在文件区，故凡是未运行过的页面，都应从文件区调入。而对于曾经运行过但又被换出的页面，由于是被放在对换区，因此在下次调入时，应从对换区调入。由于UNIX系统允许页面共享，因此， 某进程所请求的页面有可能已被其它进程调入内存，此时也就无须再从对换区调入。

### 页面调入过程： ###

1.  向CPU发出缺页中断
2.  中断处理程序保存CPU环境转中断处理程序
3.  该程序查找页表，得到该页在外存中的块号
4.  若内存未满，启动磁盘I/O读入；若内存已满，先置换，再调入
5.  最后修改页表对应项的内容，并将此页表项写入快表

[20160621155937687]: /images/20230531/dfedac9764b84dddb7dec57b63277788.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNzc0MTIw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230531/65303bfb6228451fbc4a4440f4068de5.png