第4章：非连续内存分配
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4.1 非连续内存分配：分段
（一）为什么需要非连续内存分配
- 连续内存分配的缺点
- 分配给一个程序的物理内存是连续的
- 内存利用率较低
- 有外碎片、内碎片的问题
- 非连续内存分配的优点
- 一个程序的物理地址空间是非连续的
- 更好的内存利用和管理
- 允许共享代码和数据（共享库等）
- 支持动态加载和动态链接
- 非连续分配：缺点
- 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换
- 硬件方案
- 软件方案：开销大
- 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换
- 两种硬件方案
- 分段
- 分页
分段
- 程序的分段地址空间
分段寻址方案
段访问机制：一个段，一个内存“块”，一个逻辑地址空间
- 程序访问需要：
- 一个二维的二元组（s, addr） s：段号，addr：段内偏移
- 段寄存器+地址寄存器实现方案
- 单地址实现方案
4.2 非连续内存分配：分页
（一）分页
- 分页地址空间
- 页寻址方案
- 划分物理内存至固定大小的帧（frames），大小是2的幂，512,4196……
- 划分逻辑地址空间至相同大小的页，大小是2的幂，512,4196……
- 建立方案，转换逻辑地址为物理地址（page to frames）
- 页表
- MMU/TLB
帧（Frame）
- 物理内存被分割为大小相等的帧
- 一个内存物理地址是一个二元组（f, o）
- f：帧号（F位，共有2^F个帧）
- o：帧内偏移（S位，每帧有2^S个字节）
- 物理地址：2^S * f + o
例
- 16bit 的地址空间，9bit（512bytes）大小的页帧，物理地址=（3,6）
- 物理地址：2^9*3+6=512*3+6=1536+6=1542
页（page）
- 一个程序的逻辑地址空间被划分为大小相等的页
- 页内偏移大小 = 帧内偏移的大小
- 页号大小 帧号大小 （页表）
- 一个逻辑地址是一个二元组（p,o）
- p：页号（P位，2^P个页）
- o：页内偏移（S位，每页有2^S个字节）
- 虚拟地址：2^S * p + o
页寻址机制
- 页映射到帧
- 页是连续的虚拟内存
- 帧是非连续的物理内存
- 不是所有的页都有对应的帧
4.3 非连续内存分配：页表 - 概述、TLB
- 页表概述
- 转换后备缓冲区（TLB）
- 二级/多级 页表
- 反向页表
（一）分页机制的性能问题
- 问题：访问一个内存单元需要2次内存访问
- 一次用于获取页表项
- 一次用于访问数据
- 页表可能非常大
（二）Translation Look-aside Buffer (TLB) 快表
- 缓存近期访问的页帧转换表项
- TLB使用associate memory（关联内存）实现，具备快速访问性能
- 如果TLB命中，物理页号可以很快被获取
- 如果TLB未命中，对应的表项被更新到TLB中
4.4 非连续内存分配：页表 - 二级/多级 页表
多级页表
- 通过把页号分为k个部分，来实现多级间接页表
- 建立页表“树”，以时间换空间
4.5 非连续内存分配：页表 - 反向页表
（一）大地址空间
- 有大地址空间（64bits），前向映射表变得繁琐
- 不是让页表与逻辑地址空间的大小相对应，而是让页表与物理地址空间的大小相对应
- 逻辑（虚拟）地址空间增长速度快于物理地址空间
基于寄存器（Page Registers）的方案
- 每个帧和一个寄存器关联，寄存器内容包括：
- Residence bit：此帧号是否已被占用
- Occupier：对应的页号P
- Protection bits：保护位
- 页寄存器：一个例子
- 物理内存大小：4096*4096=4kB*4kB=16MB
- 页面大小：4096Bytes
- 页帧数：4096=4k
- 页寄存器使用的空间（假设8 Bytes/register）：8*4096=32kBytes
- 页寄存器带来的额外开销：32K/16M = 0.2%（大约）
- 虚拟内存的大小：任意
- 页寄存器方案的权衡
- 利：
- 转换表的大小相对于物理内存来说很小
- 转换表的大小跟逻辑地址空间的大小无关
- 弊：
- 需要的信息对调了，即根据帧号找到页号
- 如何转换回来？即根据页号找到帧号
- 需要在反向页表中搜索想要的页号
- 利：