操作系统：内存管理（2）

 

日期：2019/5/7

关键词：内存管理；分页；分段

PS：只是一篇笔记，若是学习目的，不推荐此文章。

本节内容是内存的离散分配：分页；分段。

一、为什么需要二级分页

对于一台32位电脑，内存4GB。（实际上32位机器的最大内存也就是4GB）

对于一个进程而言，其逻辑地址空间为0-0xFFFFFFFF。（即使内存只有2GB，但逻辑地址空间还是2³²）

最坏情况下，计算机中的进程使用了4GB内存：

采用分页机制，页大小为4KB。

最大页数：4GB/4KB = 2²⁰ 个（或者老土地说1兆个）

所占空间大小：2²⁰ × 4字节 = 4×2²⁰ bytes = 4×2¹⁰KB = 4MB的物理内存（页表本身相当于占了1024个页框，占据了内核太多的内存，所以才需要2级页表。）

2级页表的实质：分页是为了对进程离散内存分配，现在页表太大了，（现在页表也是进程映像的一部分了），所以对页表也进行分页，这是2级页表的实质。

如果页大小4KB，那么d占12位，P1+P2占20位。

上面提到页表最多会占1024个页框，所以一级页表分10位就够了，P1=10，P2=10

（2级页表寻址示意图，Pentium处理器使用此方式）

• 缺点：访存3次（访问一级页表，访问二级页表，访问物理地址，最后一次才是目的）

 

二、分段

2.1 分段机制的前世

分段的诞生得从Intel 8086处理器的诞生说起。

8086处理器寄存器是16位的，而地址线却有20条（为什么不是16条？个人认为此处是为了适应内存硬件的发展，毕竟2¹⁶ bytes = 64KB的内存，不够用的那一天总会来到的）。

所以CPU内部能处理的地址最多也就16位（通俗地说，就是CPU一眼看不完自家的后花园——"内存"），那如果8086配合了1MB的内存使用，CPU如何识别0xFFFF之外的内存地址呢？办法就是分段机制。

Intel在8086 CPU中设置了四个段寄存器：CS、DS、SS和ES，分别用于可执行代码段、数据段、堆栈段及其他段。

当程序中给出一个数据段的地址address，CPU访存之前先进行计算：paddr = (DS << 4) + address，得到的paddr才是真实的物理地址。

实际上这样的分段机制，并不是真的在将内存分为若干段，按照这样的划分方式，这些段可以相连，也可以重叠，一个物理地址可以对应多个逻辑地址。

DS	1002H	1233H
段内偏移	2325H	0015H
物理地址	12345H	12345H

 

我们再来看看后来的CPU，80386寄存器为32位，地址线也是32位，从CPU的角度看，能一眼看完4GB的后花园了；

现在的CPU，寄存器64位，地址线36位，最大可寻址是2³⁶ bytes = 64GB。

从这个角度讲，分段机制好像没有意义了。但是将程序分为数据段、堆栈段、代码段这种机制仍然使用至今。

2.2 操作系统中的分段

假设16为地址中，4位段号，12位偏移。

• 先取段号，根据段号查询进程的段表，得到段的16位基地址。
• 16位基地址与12偏移量直接相加。

（此处的16位基地址就相当于段寄存器）