页式存储、段式存储、段页式存储和物理逻辑地址转换

页式存储、段式存储、段页式存储和物理逻辑地址转换

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/sadfasdfsafadsa/article/details/144943690

二、页式存储管理

2.1 页式存储原理

高级程序语言在设计时使用逻辑地址，但在运行时需要用物理地址在内存中寻找，这就涉及到逻辑地址和物理地址的转换问题，软考中经常考到。

页式存储是把计算机的存储器划分成大小相等的多个区域，每个区域称为一块，并对它们按照顺序编号。

物理地址 = 块号 X 块长 + 页内地址

而程序的逻辑地址是将内存划分为何块大小相等的页，同样按顺序编号。

在分页式存储模式中，允许将每一页分散存储在物理块中，要求程序能在主存（内存）中找到每个页面所对应的物理块，确保作业的正确运行。物理地址的块是真实存在的，而逻辑地址是人们在编程时拟定的，所以有一个关联表，即页表。

总体的结构图如下：

使用了页式存储，比如每一页设定为 4K 大小。

我们运行一个需要 503K 内存的程序，只需要为其分配 126 页即可，剩下浪费的 1K 可以忽略不计，也就是利用率高、碎片小。

有了固定页面大小之后，取址计算可通过乘法计算，分配和管理比较简单。

但使用页式存储需要实时维护页表，增加了系统开销。

根据经验表明，使用页式存储可能会出现倒挂现象，即内存给与越多，缺页率可能反而更改，这个后续章节会讲到。

总的来说，页式存储的流程如下：

• 将进程虚拟空间划分为长度相等的多个页，并按顺序编号。
• 将内存空间同样划分为多个存储块（物理块），和页一样大，同样按顺序编号。
• 为进程分配内存时，以块为单位，根据页表匹配，将若干页分别装入可以不相邻的物理块中。

2.2 逻辑地址和物理地址转换

页式存储地址可分为页号（P）和页内地址（W），如下图所示。

物理地址也可分为块号和页内地址，如下图所示。

由此可得，在进行逻辑地址和物理地址转换时，只需要根据页表，将页号替换为块号（页帧号）即可，而后面的页内地址无需变动。

题目：比如进程 P 有 6 个页面，页号分为是 0 到 5，页面大小为 4K，页表如下所示，已知逻辑地址为 5A29H，求十六进制的物理地址。

因为页面大小为4K，4K = 2 的12 次方，可得页内地址为12 位。

已知逻辑地址为5A29H，转换为二进制就是 01011010 0010 1001，后面的 12 位（1010 0010 1001）就是页内地址。

可得前面四位 0101 就是页号，查表可得块号为 6，转换二进制为 0110。

所以物理地址的二进制为 01101010 0010 1001，转换十六进制为6A29H。

• 题目：某页式存储系统页面大小为 4KB，逻辑地址为 32 位。求页内偏移量的位数和页号的位数。
• 答案：因为页面大小为 4KB = 2^{12} B，所以页内偏移量的位数为 12 位。逻辑地址总共 32 位，页号的位数 = 32 - 12 = 20 位。
• 解析：根据页面大小计算页内偏移量的位数，用逻辑地址的总位数减去页内偏移量的位数就得到页号的位数。

三、段式存储管理

简单来说，段式存储管理是将页式存储组织的页大小设置为不固定。

因为程序一般都是由主程序、子程序、堆栈等元素组成，每一段都有自己独立的作用，我们不能去断章取义，所以将一段作为单位存储在内存中，也是一种很好的方式，这就是段式存储。

每个作业都由独立段组成，可以给段做个编号，即逻辑地址从 0 开始编号。

段内地址是连续的，段和段之间的地址是不连续的，段式存储的逻辑地址由段号和段内地址组成，如下所示。

段式存储的结构如下所示：

• 优点：多个程序可共享内存，而且读写互不影响。
• 缺点：内存利用率低，碎片大。

段页式存储分段的段长

1. 段长的特点

• 在段页式存储管理中，段的长度是可变的。这是因为段是按照程序的逻辑结构划分的，不同的程序逻辑单元（如主程序段、子程序段、数据段等）有不同的功能和大小要求。
• 例如，一个大型数据库应用程序的数据段可能包含海量的数据记录，长度可能达到数 GB，而一个简单的计算程序中的某个代码段可能只有几 KB。

2. 与页长的对比

• 与段长不同，页的长度是固定的。页是物理内存划分的基本单位，通常是由操作系统预先设定好的，比如在常见的操作系统中，页大小可能是 4KB、8KB 等。
• 段内分页是为了结合段式和页式存储管理的优点。将可变长的段划分为固定长度的页，可以更方便地进行内存的分配和管理。当段被划分成页后，每一段中的页可以离散地存储在内存的不同物理页面中。

3. 段长的限制因素

• 虽然段长可变，但也受到一定的限制。它受到内存空间的大小和系统资源的限制。如果一个段过长，可能会导致内存中难以找到连续的足够空间来存放整个段，即使该段内部的页可以离散存储，但在分配段空间时还是需要考虑一定的连续空间要求。
• 同时，段长也受到地址结构的限制。在段页式存储管理中，逻辑地址由段号、段内页号和页内偏移量组成。段长的大小决定了段内页号和页内偏移量的取值范围。如果段长过大，可能会超出地址结构所能表示的范围。

以下关于计算机内存管理的描述中，（）属于段页式存储管理的描述。

A. 一个程序就是一段，使用基址极限对来进行管理
B. 一个程序分为许多固定大小的页面，使用页表来进行管理
C. 程序按逻辑分为多段，每一段内又进行分页，使用段页表来进行管理
D. 程序按逻辑分为多段，用一组基址极限对来进行管理，基址极限对存放在段表里

答案是 C。段页式存储管理方式即先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干

• 题目：段式存储方式中，段的大小是（）。A. 固定不变的；B. 动态可变的；C. 根据操作系统规定；D. 与页大小相同。

• 答案：B。

• 解析：段式存储中，段是按程序的逻辑结构划分的，如代码段、数据段等，其大小根据程序逻辑不同而不同，是动态可变的。例如一个程序的数据段大小可能随着程序运行中数据的增加而改变。

• 题目：在段式存储管理系统中，若段表如下：

  段号	基址	长度
  0	219	600
  1	2300	14
  2	90	100
  3	1327	580

• 当访问段号为 2，段内偏移量为 80 的逻辑地址时，对应的物理地址是多少？

• 答案：首先找到段号为 2 的基址是 90，段内偏移量为 80，根据物理地址 = 基址 + 段内偏移量，可得物理地址 = 90 + 80 = 170。

• 解析：段式存储管理中，段表记录了每个段的基址和长度。对于给定的逻辑地址（段号，段内偏移量），通过段号在段表中查找基址，然后计算物理地址。需要注意的是，在计算之前要检查段内偏移量是否超过了段的长度，本题段内偏移量 80 小于段长度 100，所以计算有效。

• 题目：段式存储管理的主要优点是（）

• A. 可以实现虚拟存储

• B. 便于多道程序共享内存

• C. 段的大小可以动态改变，更符合程序逻辑

• D. 内存分配最合理

• 答案：C

• 解析：段式存储管理是按照程序的逻辑结构来划分段的，比如代码段、数据段等。段的大小不是固定的，会根据程序的实际逻辑动态改变。A 选项，实现虚拟存储不是段式存储管理特有的主要优点；B 选项，多道程序共享内存不是段式存储的主要优势所在；D 选项，说内存分配最合理太绝对，段式存储有它自己的内存分配特点，但不是最合理的分配方式。

• 题目：段式存储管理系统中，关于段的描述，错误的是（）

• A. 段的划分是按照程序的逻辑功能进行的

• B. 不同段的存储位置可以是不连续的

• C. 段的长度在程序运行过程中不能改变

• D. 段表用于记录各段的基址和长度等信息

• 答案：C

• 解析：段式存储管理中，段是按照程序的逻辑功能划分的，A 选项正确；不同段在内存中的存储位置可以不连续，B 选项正确；段的长度是可以动态改变的，不是固定的，C 选项错误；段表用于记录各段的基址、长度等信息，D 选项正确。

• 题目：某操作系统页式存储管理中，页面大小为 8KB。若某进程的逻辑地址空间为 128KB，该进程的页表长度是多少？

• 答案：因为页面大小为 8KB = 2^{13} B，逻辑地址空间为 128KB = 2^{17} B。页号占的位数为 17 - 13 = 4 位，所以页表长度为 2^{4} = 16 个页表项。

• 解析：要先确定页面大小和逻辑地址空间的关系。根据页面大小确定页内偏移量的位数，从而确定页号的位数。页表长度等于页号的取值范围，即 2 的页号位数次方。

• 题目：在段式存储管理系统中，某程序分为 4 个段，段表如下：

  段号	基址	长度
  0	200	500
  1	1000	300
  2	1500	400
  3	2000	200

• 若访问段号为 2，段内偏移量为 300 的逻辑地址，其对应的物理地址是多少？

• 答案：首先找到段号为 2 的基址是 1500，段内偏移量为 300，物理地址 = 基址 + 段内偏移量，所以物理地址为 1500+300 = 1800。

• 解析：段式存储管理通过段表来查找物理地址。段表中记录了每个段的基址和长度，当给定逻辑地址（段号和段内偏移量）时，先根据段号在段表中找到基址，然后加上段内偏移量得到物理地址，同时要注意检查段内偏移量是否在段长度范围内。

• 真题二

• 题目：以下关于段式存储管理的说法，错误的是（）

• A. 段式存储按程序的逻辑模块划分段

• B. 段的大小可以动态变化

• C. 段式存储便于程序和数据的共享

• D. 各段在内存中的存储位置必须连续

• 答案：D

• 解析：段式存储是按程序的逻辑模块划分段，A 选项正确；段的大小可以根据程序的运行情况动态变化，B 选项正确；段式存储便于程序和数据的共享，因为可以以段为单位进行共享，C 选项正确；各段在内存中的存储位置可以不连续，D 选项错误

• 题目：以下关于段式存储管理的说法，错误的是（）
  A. 段的划分是基于程序的逻辑模块
  B. 段的长度可以动态增长
  C. 段式存储管理的地址空间是一维的
  D. 不同段可以存放在不连续的内存区域

• 答案：C

• 解析：段式存储管理的地址空间是二维的，由段号和段内偏移量组成。A 选项，段是按照程序的逻辑模块划分的，如代码段、数据段等；B 选项，段的长度可以根据程序运行情况动态增长，例如动态分配内存给某个段；D 选项，不同段可以存放在不连续的内存区域，这是段式存储的特点之一。

四、段页式存储管理

段页式存储管理方式结合了页式存储和段式存储的方法，采用了分段的方式，每一段作业独立编程，再把段分成若干个页面，相当于在段式的基础上再套了一层页式存储算法，存储结构如下所示。

• 优点：利用率高、物理地址连续存储。

• 缺点：使用段页式存储需要实时维护段页表，增加了系统开销，使得执行速度下降。

• 题目：以下关于计算机内存管理的描述中，属于段式管理的是（）。A. 一个程序就是一段，使用基址极限对来进行管理；B. 一个程序分为许多固定大小的页面，使用页表进行管理；C. 程序按逻辑分为多段，每一段内又进行分页，使用段页表来进行管理；D. 程序按逻辑分成多段，用一组基址极限对来进行管理，基址极限对存放在段表里2。

• 答案：D。

• 解析：A 选项描述的是早期简单的分区式管理；B 选项是页式存储管理的特点；C 选项是段页式存储管理的方式；D 选项准确描述了段式存储管理，程序按逻辑分为多段，用基址极限对来管理段，基址极限对存于段表。

• 题目：以下关于计算机内存管理的描述中，属于段式管理的是（）。A. 一个程序就是一段，使用基址极限对来进行管理；B. 一个程序分为许多固定大小的页面，使用页表进行管理；C. 程序按逻辑分为多段，每一段内又进行分页，使用段页表来进行管理；D. 程序按逻辑分成多段，用一组基址极限对来进行管理，基址极限对存放在段表里2。

• 答案：D。

• 解析：A 选项描述的是早期简单的分区式管理；B 选项是页式存储管理的特点；C 选项是段页式存储管理的方式；D 选项准确描述了段式存储管理，程序按逻辑分为多段，用基址极限对来管理段，基址极限对存于段表。