非连续分配管理方式

// 仅为学习记录，不做详细讲解

简介

相比于连续分配管理方式，非连续允许一个程序分散装入不相邻的内存区域，这就好像把人体给肢解了一样。当然这不算完，分散的程序要构成有机体程序那么就要通过索引的方式再连接起来。

分类

以下是几种非连续管理方式的分类

1. 基本分页存储管理方式

1.1 分页存储的概念

1. 进程中的块：页，页面（要求页面大小为 2 的整数幂）
2. 内存中的块：页框
3. 外存中的块：块

note：分页中所有页面的大小一样

4. 地址结构
   前一部分为页号，后一部分为页内偏移地址，地址长度 32 位，地址最多允许 2^20 个页
   
5. 页表
   系统为每一个进程建立页表，用于作为内存地址和外存中的物理地址的映射，其组成为页号和块号。页表常驻内存。
   特别的，页表项的第二部分与地址结构的第二部分共同组成物理地址
   

1.2 基本地址变换机构

我们知道页表用于记录内存的逻辑地址到外存的物理地址的映射，而地址变换机构就是利用页表的记录来实现这个转换过程的。

页表寄存器：正如前面所讲，页表常驻内存，所以当我们要使用页表时就必须找到它，它在内存中的地址由页表寄存器来实现。
特别的，只有在程序执行时才会读入页表的两个信息到页表寄存器

计算从逻辑地址到物理地址的映射

首先分析，整个映射过程其实就是让页表**动态化**，即我们只要找到页号，页号映射到
对应的页表项，页表项对应的块号，再由块号和地址结构的页内偏移量组合（回顾概念 
5 ）就可以得到结果

这个流程如下，假设页号为 P，页内偏移量 W，页面大小为 L，页表长度 M，逻辑地址为 A，物理地址为 E 的转换过程如下：

1. 页号 P = A / L
2. 页内偏移量 W = A % L
3. 比较页号 P 和页表长度 M，如果 P>=M，则表示越界了
4. 该页号对应的页表项 = 页表起始地址 + 页号 P *页表项长度
5. 通过页表项找到对应的物理块号
6. 物理地址 E = W + 物理块号 * L

特别的，页面大小，页框大小和块大小是一样的，以便一一对应

1.3 具有快表的地址变换机构

由上面的查找过程可知，我们存取一次数据（指令）至少需要两次访问内存，第一次是计算出数据（指令）对应的物理地址，第二次才是真正去取这个地址。这样速度上就慢了一半。

这就好像我周二要在某个规定的时间去 A 地拿某个东西，因为对 A 地不熟悉，为了保证按时到达，我周一就去 A 地一趟熟悉路线，但是周二才是真正去取这个东西。

于是我们设置了快表（顾名思义就是提高运行速度），用来存放当前访问的若干表项。

具有快表的分页机制的地址变换过程：

1. 得到逻辑地址后先把页号和快表中的页号对比
2. 如果找到匹配项，则通过快表找到对应的物理块号完成
3. 如果没有，则要想之前的步骤一样去页表中取

1.4 两级页表

为了进一步提高内存的利用率，我们用两级页表的方式来压缩页表的空间。

关于两级页表在考试中只需要记住顶级页表最多只能由一个页面。

相关计算题的知识点补充

1. $$一页的大小=2^{页内偏移量位数},偏移量通常是12位$$
2. $$页表最大占用的字节数=2^{页号位数}\ast 页表项大小$$

2. 基本分段存储管理方式

2.1 分段

分段存储管理主要要从语义上来进行分段。比如一个程序由主程序，负责加法逻辑的程序
负责减法逻辑的程序，那么就可以按上述分成三段。每段从 0 开始分配一段连续空间（要
求段内连续，段间可以不连续），由此可见整个作业的地址空间是二维的

段的划分是在用户编程的时候完成的

NOTE：段号和段内偏移量必须显式提供

2.2 段表

段表的结构（段号，段长，本段在内存中的始址）
段表实现了从逻辑地址到物理内存区的映射

利用段表实现物理内存区的映射

2.3 地址变换机构

逻辑地址 A 到物理地址 E 之间的地址变换过程：

1. 从 A 中提取段号 S 和 偏移量 W
2. 比较段号 S 和段表长度 M，若 S>= M 则越界
3. 找出段表项地址 = 段表始址 F + 段号 S*段表项长度
4. 取出段表项中的段长 C ，比较段长 C 和 偏移量 W 的关系，若 W 大，则越界
5. 计算物理地址 = 基址（段表始址）+W

NOTE：我们可以看到第 4 步中，和分页存储的计算发生了变化，，在分段中我们进行了两次比较，而分页中只需要一次

2.4 段的共享与保护

1. 可重入代码（纯代码）：不能修改的代码（可以共享的是可重入代码）

3. 段页式管理方式

由上图可见，只有一个段表。而段表映射每一段都有一个页表。一个进程中段表只有一个，而页表可以有多个。

其地址转换方式如下：段表 --> 页表始址 --> 页号 --> 形成物理地址
由此可见一次访问实际需要三次访问内存