操作系统导论习题解答（18. Introduction to Paging）

Paging: Introduction

在解决大多数空间管理问题时，操作系统会采用两种方法中的一种。一种是前面我们所提及到的segmentation，很不幸的是这种方法实现起来很困难。另一种方法就是接下来要介绍的paging。

1. A Simple Example And Overview

下图就是一个64KB的虚拟地址空间被分成了4个paging。

下图是将上图的虚拟page转换为实际物理frame。

从上两幅图可以看出虚拟page到物理frame的转换：
Virtual Page 0 → Physical Frame 3
VP 1 → PF 7
VP 2 → PF 5
VP 3 → PF 2

--------------------------------------------------------------------------------------------------------（分割线）

movl <virtual address>, %eax

为了转换上述代码过程生成的虚拟地址，我们必须将其分成两个部分，virtual page number(VPN)和page的offset。
上述进程的虚拟地址为64字节，因此我们的虚拟地址总共需要6位（2⁶ = 64）。如下图所示：

由于page的大小为16字节。如下图所示：

为了更好地理解，我们不妨有如下代码：

movl 21, %eax

对于上述代码有如下表示：

前两位VPN表示选中page 1,后四位offset表示page 1中偏移量。
我们再回头看下开头的虚拟地址转换到物理地址（VP 1 → PF 7），则进一步可以做如下转换：
注意上述图片，offset是不变的，因为offset仅仅告诉我们所需page中的哪个字节。对于VPN到PFN的转换，每个进程都有一个page table。

2. Where Are Page Tables Stored?

page table可以变得非常大，比我们之前讨论的segment table或base/bounds要大得多。
例如，想象一个典型的32位地址空间，具有4KBpage。该虚拟地址分为20位VPN和12位offset。
由于page table太大，我们不可能用MMU中任何专用芯片硬件来存储当前正在运行的进程的page table。所以我们将page table存储在内存的某个位置。现在我们假设page table存储在操作系统管理的物理内存上（稍后我们将看到很多OS内存本身可以被虚拟化），如下所示：

3. What’s Actually In The Page Table?

page table：一种数据结构。用于将虚拟地址（VPN）映射到物理地址（PFN）。
最简单的形式就是线性page table，它就是一个数组。操作系统通过VPN建立索引，并在该索引处查找page-table entry (PTE)。下图是一个例子：

P（present bit）：当前位指示此页面是在物理内存中还是在磁盘上。
R/W（read/write bit）：用于确定是否允许对该页面进行写操作。
U/S（user/supervisor bit）：用于确定用户模式进程是否可以访问页面。
PWT、PCD、PAT、G：确定这些页面的硬件缓存工作方式。
A（accessed bit）：跟踪是否已访问页面。
D（dirty bit）：指示该页自从进入内存以来是否已被修改。

4. Paging: Also Too Slow

上述我们已经知道page table大部分情况都是非常大的，其实它们也可能效率非常低。
如下代码所示：

5. Homework (Simulation)

In this homework, you will use a simple program, which is known as paging-linear-translate.py, to see if you understand how simple virtual-to-physical address translation works with linear page tables. See the README for details.

Question & Answer

1.

从上面3幅图可以发现：当地址空间增大时，page-table也相应的增大。

从上面3幅图可以发现：当page增大时，page-table减小。
一般情况下不使用big pages是为了提高效率。

2.

从上面5幅图可以发现：当增加percent of address space that is used时，有效的page-table数量也增加。

3. Now let’s try some different random seeds, and some different (and sometimes quite crazy) address-space parameters, for variety:

第二组不符合实际。如下所示：

从图中就可以看出，虚拟地址对应的page-table无效。

4.