# 思维导图
# 分区方案
# 简单分区：
原理：使用长度不等的固定长分区，当一个进程调入主存时，分配给它一个能容纳的最小分区
缺点：固定长度的分区，可能会浪费 主存空间。多数情况下，进程对分区大小的需求不可能和提供的分区大小一样
# 可变长分区（Partitioning）
原理：分配的分区大小与进程所需大小一样
特点：开始较好 ，但到最后存储器中会有许多碎片。时间越长，存储器的碎片会越来越多，存储器的利用率下降
程序员自己手动管理内存，可以改善内存碎片化问题（例如一次性 malloc 或 new、stl 新建容器好几 kb 大小……
# 分页（Paging）
基本思想
内存分成固定长且较小的存储块 (页框 /page frame)
每个进程也划分成固定长的程序块 (页 /page)
程序块 (页 /page) 可装到内存可用的存储块 (页框 /page frame) 中
无需用连续页框来存放一个进程
操作系统为每个进程生成一个页表：页和页框一一对应的关系表
- 通过页表 (page table) 实现逻辑地址向物理地址转换 (Address Mapping)
# 虚存技术的实质
# 程序员在比实际主存空间大得多的逻辑地址空间编写程序
# 程序执行时，把当前需要的程序段和相应的数据块调入主存，其他暂不用的部分存放在磁盘上
# 指令执行时，通过硬件将逻辑地址 (亦称虚拟地址或虚地址) 转化为物理地址 (亦称主存地址或实地址)// 分页查表
# 在发生指令或数据访问失效时，由操作系统进行主存和磁盘之间的信息交换
# 每个进程都有专属于自己的从 0 到 FFFFFFFFH 的地址空间
# 快表 / 转换后备缓冲器 / TLB (Translation Lookaside Buffer)
# 原理：
使用 Cache 来存储页表项，称为 TLB，它包含最近使用的那些页表项，加速虚实地址转换
多用全相联：命中率高，小、成本不高
采用随机替换策略：降低替换算法开销
采用回写策略：减少访问内存的次数
# TLB 页表项
Tag 位
Index 位，组相联时才有
Physical Adress，对应物理页框号
其他标志位
Valid 位，1 位
Dirty 位，1 位
Ref
Access
# TLB 缺失
# 基本概念
# 主存分配
操作系统：固定（ROM）
用户区：分区（RAM）
# 三种地址空间：
虚拟地址空间
主存地址空间
辅存地址空间
# 地址映射：把虚拟地址空间映射到主存地址空间
# 地址变换：程序运行时，把虚拟地址变换成主存物理地址
# 为什么需要虚存
# 同时运行更多进程，内存需求增大
# 允许多个程序有效而安全地共享存储器，消除内存因小而有限的存储器容量给程序设计造成的障碍
可以更有效的共享处理器和主存
虚拟存储器实现程序地址空间到物理空间的转换，加强了各个程序地址空间之间的保护
# 允许单用户程序大小超过主存储器的容量
- 虚拟存储器自动管理主存和辅存组成的两级层次结构
# 虚存组织方式
# 页式
原理：
虚存地址空间和主存地址空间按统一大小分成若干页，虚存称为虚页，主存称为实页
程序按页从磁盘调入主存 (某一虚页调入某一实页)
指令给出虚拟地址 / 逻辑地址
每个页表项记录对应的虚页情况
Valid 为 0 说明 “miss”(称为 page fault / 缺页)
CPU 执行指令时，先将逻辑地址转换为物理地址
地址转换由 MMU 实现
页大小比 Cache 中 Block 大得多
采用全相联映射
通过软件来处理 “缺页”
采用 Write Back 写策略
地址格式
虚存的地址格式 (逻辑地址格式)：
直接映射虚拟地址
高位，虚拟地址比物理地址长的位数，算在 Tag 位里
Tag 位，标记位
长度 = log _2 (主存中 页 的 数量 / TLB 中 页表项 的 数量)Index 位，Cache 槽号
长度 = log _2 (TLB 中 页表项 的 数量)Offset 位，页内地址
长度 = log _2 (页 的 大小) (按编址单位算)
全相联虚拟地址
高位，虚拟地址比物理地址长的位数，算在 Tag 位里
Tag 位，标记位
长度 = log _2 (主存中 页 的 数量)Offset 位，页内地址
长度 = log _2 (页 的 大小) (按编址单位算)
n 路组相联虚拟地址
高位，虚拟地址比物理地址长的位数，算在 Tag 位里
Tag 位，标记位
长度 = log _2 (主存中 页 的 数量 / 组的数量)组号位
长度 = log _2 (组 的 数量)Offset 位，页内地址
长度 = log _2 (页 的 大小) (按编址单位算)
主存的地址格式 (物理地址格式)：
实页号 / 物理页号
页内地址
页表 (Page Table)
建立一个映射关系表来存放虚拟地址与物理地址之间的映射关系，该映射关系表被称为页表，用来实现虚实地址的转换建立在主存中，操作系统为每道程序建立一个页表
设置页表基址寄存器：保存页表在主存中的起始地址
页表项
装入位
修改 (Dirty) 位
替换控制位
访问权限位
禁止缓存位
实页号
页表的项数 = 页表的容量 = 最大页表项 = 虚存大小 / 页大小
页表大小 = 页表的项数 * 页表项大小
异常情况
缺页 (page fault)
产生条件：当 Valid (有效位 / 装入位) 为 0 时
相应处理：从磁盘中读信息到内存，若内存没有空间，则还要从内存选择一页替换到磁盘上，替换算法类似于 Cache，采用回写法，页面淘汰时，根据 “dirty” 位确定是否要写磁盘
异常处理结束后：缺页发生时，当前指令的执行被阻塞，当前进程挂起；缺页处理结束后，回到原指令继续执行
保护违例 (protection_violation_fault)
产生条件： 当 Access Rights (存取权限) 与所指定的具体操作不相符时
相应处理：在屏幕上显示 “内存保护错” 信息
异常处理结束后：当前指令执行被阻塞，当前进程终止
Access Rights (存取权限) 可能的取值有哪些？
R = Read-only
R/W = read/write
X = execute only
特点
优点：实现简单，开销少。因为只有进程的最后一个零头（内部碎片）不能利用，故浪费很小
缺点：由于页不是逻辑上独立的实体，可能会出现如 “一条指令跨页” 等情况（CISC），使处理、管理、保护和共享都不方便
