趣谈操作系统原理，存储管理之页式、段式、段页式存储

一，概述

非连续分配管理方式允许一个程序分散地装入到不相邻的内存分区，根据分区的大小是否固定分为分页式存储管理方式和分段式存储管理方式。分页存储管理方式中，又根据运行作业时是否要把作业的所有页面都装入内存才能运行分为基本分页式存储管理方式和请求分页式存储管理方式。

1) 基本分页式存储管理方式

把主存空间划分为大小相等且固定的块，块相对较小，作为主存的基本单位。每个进程也以块为单位进行划分，进程在执行时，以块为单位逐个申请主存中地块空间。这样，进程只会在为最后一个不完整地块申请一个主存块空间时，才会产生主存碎片。所以尽管会产生内部，但是这种碎片相对进程来说也是很小的，每个进程平均只产生半个块大小的内部碎片。

分页存储的几个基本概念。进程中的块称为页，内存中的块称为页框，，进程在执行时，以块为单位逐个申请主存中的块空间。就是要为每个页面分配主页中的可用页框，这样就产生了页面和页框的一一对应。

为了方便地址转换，页面大小应该是2的整数幂，同时页面大小应该适中，如果页面太小，这样页表就过长，占用大量内存，而且也会增加硬件地址转换的开销，降低页面换入/换出的效率；页面过大又会使页面内碎片增大，降低内存的利用率。考虑空间效率和时间效率的权衡，页面大小应该适中。

逻辑地址结构：页号+地址偏移量。页表：为了便于在内存中找到进程的每个页面所对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表，记录页面在内存中对应的物理块号，页表一般放在内存中。在配置了页表后，进程执行时，通过查找该表，即可找到每页在内存中的物理块号。可见，页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射。

2) 基本分段存储管理方式

段式管理方式按照用户进程中的自然段划分逻辑空间。例如，用户进程由主程序，两个子程序，栈和一段数据组成，于是可以把这个用户进程划分为5个段，每段从0开始编制，并分配一段连续的地址空间（段内要求连续，段间不要求连续）。逻辑地址由段号+段内偏移量组成

3) 段页式的管理方式

分页式存储管理可以有效地提高内存利用率，而分段存储管理能反应程序的逻辑结构并有利于段的共享。把这两种方式结合起来，就是段页式存储管理方式。

在段页式系统中，作业的地址空间首先被分成若干逻辑段，每段都有自己的段号，然后再将每一段划分成若干大小固定的页。对内存空间的管理仍然和分页存储管理一样，将其分成若干和页面大小相同的存储块，对内存的分配以存储块为单位。

在段页式系统中，作业的逻辑地址分为3个部分：段号，页号和页面偏移量。为了实现地址变换，系统为每个进程建立一张段表，而每个分段有一张页表。段表中包括段号、页表长度和页表起始地址。页表中包括页号和块号。此外，系统中还有一个段表寄存器，指出作业的段表起始地址和段表长度。

在进行地址变换时，首先通过页表查到页表起始地址，然后通过页表查到页框号，最后形成物理地址。

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二，离散分配方式的出现

由于连续分配方式会形成许多内存碎片，虽可通过“紧凑”功能将碎片合并，但会付出很大的开销。于是出现离散分配方式：将一个进程直接分散地装入到许多不相邻的内存分区中。

下面主要介绍“离散分配”三种方式的基本原理以及步骤：

2.1基本分页存储

步骤

³ 逻辑空间等分为页；并从0开始编号

³ 内存空间等分为块，与页面大小相同；从0开始编号

分配内存时，以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。

2.2地址结构

分两部分：页号、位移量（业内地址）

业内地址的位数可以决定页的大小（如上图每页大小为4K）。逻辑地址=页号&位移量（&号是连接符号，是将页号作为逻辑地址的最高位）

2.3地址映射（逻辑地址--->物理地址）

如下图所示：（物理地址=块号&块内地址）

因为块的大小=页的大小，所以块内位移量=页内位移量，所以只需求出块号即可：

2.4页表

给定一个逻辑地址和页面大小，如何计算物理地址？

• 1) 根据页面大小可计算出页内地址的位数
• 2) 页内地址位数结合逻辑地址计算出页内地址（即，块内地址）和页号
• 3) 页号结合页表，即可得出块号
• 4) 块号&块内地址即可得出物理地址

2.5地址变换原理及步骤

请看上图，给出逻辑地址的页号和页内地址，开始进行地址变换：

• 1) 在被调进程的PCB中取出页表始址和页表大小，装入页表寄存器
• 2) 页号与页表寄存器的页表长度比较，若页号大于等于页表长度，发生地址越界中断，停止调用，否则继续
• 3) 由页号结合页表始址求出块号
• 4) 块号&页内地址，即得物理地址

以上即为页式存储的原理及整个过程……

三，基本分段存储

3.1步骤

逻辑空间分为若干个段，每个段定义了一组有完整逻辑意义的信息（如主程序Main（）），如：

内存空间为每个段分配一个连续的分区段的长度由相应的逻辑信息组的长度决定，因而各段长度不等，引入分段存储管理方式的目的主要是为了满足用户（程序员）在编程和使用上多方面的要求。要注重理解，完整的逻辑意义信息，就是说将程序分页时，页的大小是固定的，只根据页面大小大小死生生的将程序切割开；而分段时比较灵活，只有一段程序有了完整的意义才能将这一段切割开。（例如将一个人每隔50厘米切割一段，即为分页；而将一个人分割为头部、身体、腿部（有完整逻辑意义）三段，即为分段）

3.2地址结构

分为两部分：段号、位移量（段内地址）

段内地址的位数可以决定段号的大小，逻辑地址=段号&段内地址（&号是连接符号，是将段号作为逻辑地址的最高位）

3.3地址映射（逻辑地址--->物理地址）

如下图所示：（物理地址=基址+段内地址）（注意为+号，而不是&号）

 

由上图可知若想求物理地址，只需求出基址即可：

如何求基址呢？段表来帮你

段表：

求基址的过程与页式存储中求块号的过程原理相同，这里需要注意的是，物理地址是基址+段内地址，而不是基址&段内地址，由逻辑地址得到段号、段内地址，再根据段号和段表求出基址，再由基址+段内地址即可得物理地址。

3.1地址变换原理及步骤

请看上图，给出逻辑地址的段号和段内地址，开始进行地址变换：

• 1) 在被调进程的PCB中取出段表始址和段表长度，装入控制寄存器
• 2) 段号与控制寄存器的页表长度比较，若页号大于等于段表长度，发生地址越界中断，停止调用，否则继续
• 3) 由段号结合段表始址求出基址
• 4) 基址+段内地址，即得物理地址

以上即为段式存储的原理及整个过程……

分页和分段的主要区别：

四，基本段页式存储

4.1步骤

用户程序先分段，每个段内部再分页（内部原理同基本的分页、分段相同）

4.2地址结构

分三部分：段号、段内页号、页内地址

4.3地址映射（逻辑地址--->物理地址）

逻辑地址----- >段号、段内页号、业内地址

• 段表寄存器--- >段表始址
• 段号+段表始址---- >页表始址
• 页表始址+段内页号----->存储块号
• 块号+页内地址------>物理地址

4.4地址变换原理及步骤

请看上图，给出逻辑地址的段号、页号、页内地址，开始进行地址变换：

• 1) 在被调进程的PCB中取出段表始址和段表长度，装入段表寄存器
• 2) 段号与控制寄存器的页表长度比较，若页号大于等于段表长度，发生地址越界中断，停止调用，否则继续
• 3) 由段号结合段表始址求出页表始址和页表大小
• 4) 页号与段表的页表大小比较，若页号大于等于页表大小，发生地址越界中断，停止调用，否则继续
• 5) 由页表始址结合段内页号求出存储块号
• 6) 存储块号&页内地址，即得物理地址

以上即为段页式存储的原理及整个过程……

五， 总结

在页式、段式存储管理中，为获得一条指令或数据，须两次访问内存；而段页式则须三次访问内存