页式存储管理
页式存储管理的基本原理
页式存储管理的基本原理页式存储管理是一种常见的内存管理方式，其基本原理包括页面分割和页面置换。
页面分割是指将进程的虚拟内存空间划分为固定大小的页，通常为4KB或者8KB。
每个页都有一个唯一的页号，用来标识该页在虚拟内存空间中的位置。
进程的虚拟内存被分为一系列的页，形成一个页表，用来记录页与物理内存的映射关系。
页面置换是指根据一定的算法，将物理内存中的页面与虚拟内存中的页面进行置换。
当一个进程需要访问一个虚拟内存页面时，首先检查这个页面是否已经在物理内存中。
如果在，则直接进行访问。
如果不在，则需要进行页面置换，将物理内存中的某个页面置换出来，以便给新的页面腾出空间。
页式存储管理的基本原理是为了解决计算机系统中内存有限的问题。
由于物理内存的容量通常远小于进程的虚拟内存空间，因此无法将进程的全部虚拟内存空间都加载到内存中。
页式存储管理将进程的虚拟内存空间划分为页，并根据需要将页逐个加载到物理内存中。
页式存储管理的基本思想是将进程的虚拟内存空间分成一个个固定大小的页，并且将这些页映射到物理内存上的一块块固定大小的页框中。
通过这种映射关系，可以实现进程在虚拟内存和物理内存之间的无缝切换，使得进程能够正常运行。
当进程需要访问虚拟内存的某个页面时，首先根据页号在页表中找到相应的页表项，该项记录了该页所在的物理内存页框的地址。
如果该页已经在物理内存中，则直接进行访问。
如果不在物理内存中，则需要进行页面置换。
页面置换算法是页式存储管理中的核心部分，其目的是从物理内存中选择一个页面进行置换，以给新的页面腾出空间。
常见的页面置换算法有最先进入先出（FIFO）、最少使用（LRU）、最近最久未使用（LRU）等。
总体来说，页式存储管理是一种以页面为单位进行内存管理的方式，通过页面分割和页面置换实现进程的虚拟内存与物理内存之间的映射关系。
通过这种映射关系，可以实现计算机系统中内存资源的有效利用，提高系统的性能和可靠性。
操作系统的虚拟存储管理与页式存储技术
操作系统的虚拟存储管理与页式存储技术操作系统是计算机系统中非常重要的一个组件，它负责管理计算机硬件和软件资源，协调各个应用程序的执行，以及提供用户与计算机之间的接口。
虚拟存储管理是操作系统中的一个核心功能，它通过将主存（内存）和辅存（磁盘）结合起来，在有限的主存空间中管理多个应用程序的运行和数据存储。
页式存储技术是一种常用的虚拟存储管理技术，下面将详细介绍虚拟存储管理以及页式存储技术的原理和实现方式。
一、虚拟存储管理的概念和原理虚拟存储管理是一种用于管理计算机主存和辅存的技术，它将辅存中的数据自动地转移到主存中，并且能够在程序运行时动态地分配和回收主存空间。
通过虚拟存储管理，即使计算机的主存空间有限，也可以实现更多应用程序的并发执行和大规模数据的存储与处理。
虚拟存储管理的主要原理是将辅存中的数据划分为若干个固定大小的存储块，称为页面（Page）。
同样，主存也被划分为与辅存页面大小相同的存储块，称为页框（Page Frame）。
每个页面和页框都有唯一的标识符，用于管理和映射页面到页框的关系。
当一个应用程序需要访问或执行某个页面时，操作系统将其从辅存中读入一个空闲的页框，并将其映射到相应的页面标识符。
如果主存中没有空闲的页框，则需要使用一定的页面置换算法将某个页面替换出去，以腾出页框给新的页面使用。
虚拟存储管理能够有效地利用计算机的主存资源，并且能够在不同的应用程序之间进行数据保护和隔离。
通过页面和页框的映射关系，操作系统可以实现虚拟地址空间的划分和隔离，每个应用程序都认为自己独占了整个计算机的内存空间，而不需要关心其他应用程序的存在。
二、页式存储技术的实现方式页式存储技术是一种基于虚拟存储管理的实现方式，它将主存和辅存划分为固定大小的页面，并且使用页表来管理页面和页框的映射关系。
下面将详细介绍页式存储技术的实现方式。
1. 页面和页框的划分页式存储技术将辅存和主存划分为固定大小的页面和页框，通常大小为2的幂次方，例如2KB、4KB或者16KB等。
页式、段式、段页式存储优缺点总结
页式、段式、段页式存储优缺点总结内存管理⽅式主要分为：页式管理、段式管理和段页式管理。
页式管理的基本原理是将各进程的虚拟空间划分为若⼲个长度相等的页。
把内存空间按页的⼤⼩划分为⽚或者页⾯，然后把页式虚拟地址与内存地址建⽴⼀⼀对应的页表，并⽤相应的硬件地址转换机构来解决离散地址变换问题。
页式管理采⽤请求调页和预调页技术来实现内外存存储器的统⼀管理。
优点：没有外碎⽚，每个内碎⽚不超过页的⼤⼩。
缺点：程序全部装⼊内存，要求有相应的硬件⽀持，如地址变换机构缺页中断的产⽣和选择淘汰页⾯等都要求有相应的硬件⽀持。
增加了机器成本和系统开销。
段式管理的基本思想是把程序按内容或过程函数关系分成段，每段有⾃⼰的名字。
⼀个⽤户作业或者进程所包含的段对应⼀个⼆维线性虚拟空间，也就是⼀个⼆维虚拟存储器。
段式管理程序以段为单位分配内存，然后通过地址映射机构把段式虚拟地址转换为实际内存物理地址。
优点：可以分别编写和编译，可以针对不同类型的段采取不同的保护，可以按段为单位来进⾏共享，包括通过动态链接进⾏代码共享。
缺点：会产⽣碎⽚。
段页式管理，系统必须为每个作业或者进程建⽴⼀张段表以管理内存分配与释放、缺段处理等。
另外由于⼀个段⼜被划分为若⼲个页，每个段必须建⽴⼀张页表以把段中的虚页变换为内存中的实际页⾯。
显然与页式管理时相同，页表也要有相应的实现缺页中断处理和页⾯保护等功能的表项。
段页式管理是段式管理和页式管理相结合⽽成，具有两者的优点。
由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加。
另外需要的硬件以及占⽤的内存也有所增加，使得执⾏速度下降。
————————————————————————————————————————————————⾸先看⼀下“基本的存储分配⽅式”种类：1. 离散分配⽅式的出现 由于连续分配⽅式会形成许多内存碎⽚，虽可通过“紧凑”功能将碎⽚合并，但会付出很⼤开销。
于是出现离散分配⽅式：将⼀个进程直接分散地装⼊到许多不相邻的内存分区中。
页式存储管理的基本原理
页式存储管理的基本原理页式存储管理是计算机操作系统中一种常用的存储管理方式。
它通过将进程的地址空间分割成固定大小的页，再将物理内存也分割成与之对应的页框，实现进程与物理内存之间的映射关系。
页式存储管理的基本原理可以分为地址映射、页表和页面置换。
首先，页式存储管理通过地址映射实现进程的内存访问。
当进程生成一个虚拟地址时，操作系统将其分成两个部分，一个是页号，用于标识从进程中取出的页，另一个是页偏移量，用于指示页中具体的地址。
操作系统根据进程页号和页表将虚拟地址转换为物理地址，进而实现内存的访问。
其次，页式存储管理使用页表来管理进程的虚拟地址空间和物理内存的映射关系。
每个进程都有一个页表，其中包含了虚拟页号与物理页框号的对应关系。
当进程发生地址访问时，操作系统通过查找页表找到对应的物理页框，然后将物理页框中的数据加载到CPU中进行计算。
页表一般采用哈希表、树结构或者多级页表等数据结构来实现，以提高查找速度和存储空间的利用率。
在查找过程中，操作系统利用页号作为索引快速找到对应的页表项，然后根据页表项中的页框号获取物理地址。
最后，当物理内存空间不足以容纳所有进程的页时，页式存储管理需要进行页面置换。
页面置换算法是页式存储管理中的重要组成部分，常见的页面置换算法包括最佳置换算法、先进先出算法、最近最久未使用算法等。
这些算法根据不同的策略选择要被替换的页面，并将其从物理内存中换出，然后加载新的页面。
页面置换算法的选择取决于不同的场景和需求。
例如，最佳置换算法选择将最长时间不使用的页面替换出去，以便使页面置换的缺页率最低。
而最近最久未使用算法则选择最近一段时间内最久未使用的页面进行替换。
总结来说，页式存储管理通过地址映射、页表和页面置换实现了对进程虚拟地址和物理内存之间的有效映射与管理。
它在提高内存利用率的同时，还能够满足多进程同时运行的需求，对计算机的性能和稳定性有着重要的影响。
操作系统——页式存储管理
操作系统——页式存储管理分区式存储管理最⼤的缺点是碎⽚问题严重，内存利⽤率低。
究其原因，主要在于连续分配的限制，即它要求每个作⽤在内存中必须占⼀个连续的分区。
如果允许将⼀个进程分散地装⼊到许多不相邻的分区中，便可充分地利⽤内存，⽽⽆需再进⾏“紧凑”。
基于这⼀思想，产⽣了“⾮连续分配⽅式”，或者称为“离散分配⽅式”。
连续分配：为⽤户进程分配的必须是⼀个连续的内存空间。
⾮连续分配：为⽤户进程分配的可以是⼀些分散的内存空间。
分页存储管理的思想：把内存分为⼀个个相等的⼩分区，再按照分区⼤⼩把进程拆分成⼀个个⼩部分。
分页存储管理分为：实分页存储管理和虚分页存储管理⼀、实分页式存储管理实分页式存储最⼤的优点是内存利⽤率⾼，与⽬前流⾏的虚分页存储管理相⽐，具有实现简单，程序运⾏快的优点。
⽬前，飞速发展的硬件制造技术使得物理内存越来越⼤，因此我们认为，实分页式存储管理将是⼀种最有发展前途的存储管理⽅式。
1.1、基本原理假设⼀个⼤型饭店，所有的客房都是标准的双⼈间，部分客房已经住进客⼈，现在⼜有⼀个旅游团要求⼊住。
接待员统计了⼀下，对旅游团领队说：“贵团全体成员都能住下，两⼈⼀个房间，但是不能住在同⼀楼层了，因为每层空着的客房不够，更没有⼏个挨着的。
请原谅！”。
对于这样的安排，⼀般⼈不会感到奇怪。
因为旅游团本来就是由⼀位位个⼈或夫妻等组成的，⽽饭店的客房本来也是两⼈⼀间的，两⼈⼀组正好可住在⼀个客房⾥；另外，饭店⼏乎每天都有⼊住的和退房的客⼈，想在同⼀楼层找⼏间挨着的客房实在不容易。
①将整个系统的内存空间划分成⼀系列⼤⼩相等的块，每⼀块称为⼀个物理块、物理页或实页，页架或页帧（frame），可简称为块（block）。
所有的块按物理地址递增顺序连续编号为0、1、2、……。
这⾥的块相当于饭店的客房，系统对内存分块相当于饭店把⼤楼所有的客房都设计成标准的双⼈间。
②每个作业的地址空间也划分成⼀系列与内存块⼀样⼤⼩的块，每⼀块称为⼀个逻辑页或虚页，也有⼈叫页⾯，可简称为页（page）。
页式存储管理指导
运行命令2
4. （续）入对应页表表项，并修改该进程 内存分配表和页表。把申请到的页号填 入对应页表表项，把状态位置1修改位 示图和可用空闲块数 5. 查表完成地址映射，打印格式如下： 12345-14782 4. 重复以上步骤完成第2个地址转换
显示进程状态
显示选定进程的页表，例如
虚拟页号 状态位 物理页号 访问位
加载进程
1. 接收用户输入进程信息（进程名，长度） 2. 自动为进程编号 3. 自动为进程创建页表，页表包含内容因淘汰算 法不同有所区别，一般应有虚拟页号、状态位、 物理页号、访问位（或最近访问时间）等，页 表长度＝（进程长度+页长－1）/页长，用结 构体数组实现，每个进程一个页表，初始情况 下，页表中访问位和状态位都为0； 4. 为进程创建内存分配表，格式：进程号、虚拟 页号、物理页号，用数组实现
页式存储管理指导
程序模块图
初始化
功能选择
加载进程
选择进程
运行命令
显示进程状态
退出
初始化功能
1. 初始化位示图 位示图是用1个二进制位来代表一个物 理页分配情况，1代表已经分配，0代表 未分配。如页大小为2K，内存容量 256K，则需要128个二进制位即16个字 节空间，定义为char wst[16],wst[0]代表 0～7页，如要查看第x号页是否分配， 可用如下语句if ((wst[x/8]&(1<<x))==0) 2. 可用空间kykj=256/2
运行命令
1. 从键盘上接收命令，命令格式为 12345：MOV AX,45678 2. 自动切分命令3个部分，得到两个地址： 12345和45678 3. 把它们自动拆分为页号和页内地址 4. 查选定进程页表，如其所在页没有调入内存， 则查看该进程内存分配表，看是否占完所用物 理页数，如是则根据淘汰算法淘汰一页。然后 申请内存（根据位示图），把申请到的页号填
页式存储管理的基本思想
页式存储管理的基本思想页式存储管理是计算机技术中一种重要的存储管理方式。
它主要作用是将同种数据或程序的大量信息，按一定的方式组织存放在计算机中。
页式存储管理是一种紧凑的存储管理方式，它利用存储器中的分布式空间，以小页（page）为单位，将数据或程序按页存储，由操作系统负责数据在内存和硬盘之间的移动及调度。
页式存储管理有利于节约存储空间，以页（page）为单位，允许页面的内存空间结构和每一页的长度可以不相同，可以提高存储空间的利用率。
此外，运用页式存储管理的分页机制，可以更有效地把可执行程序装入内存，根据指令执行时只需要存取对应的页面，从而减少缓存访问次数，提高性能。
页式存储管理分三种：静态分页，动态分页和段式存储管理，其中静态分页最为常见。
静态分页是一种简单的分页管理方式，它使用的是定长页表项，把物理页面和可访问性（可读可写）状态进行映射，只要访问某个内存页，CPU就能在页表中定位页面的存储位置，这样就可以节省CPU时间，便于管理。
动态分页也叫做动态分区，它是一种更加灵活的分页存储管理方式，它使用变长页表项，可以在程序执行过程中根据程序运行状况从所分配的内存中释放一些无用的内存页，并从存储器中重新调配一些可用的内存页，使得系统能够更加灵活地管理内存资源。
但是，由于程序运行状况的不断变化，因此在程序执行过程中，CPU需要大量的时间来进行页表的变换，从而影响了程序的性能。
段式存储管理是一种比页式存储管理更加灵活的存储管理方式，它使用的是变长的段表项，可以访问任意的位置块，不受页面大小的限制。
段式存储管理可以有效地利用内存资源，可以将比较大的内存空间分割成若干小空间，并且可以依据实际情况调整段的大小，从而使得内存的利用率更加有效。
总的来说，页式存储管理是一种重要的存储管理方式，能够有效地节约存储空间，提高存储空间的利用率，减少缓存访问次数，提高系统性能，但是同时也会增加系统的管理和维护开销，因此，它的选择和应用要得当，以达到最佳的存储效果。
课件：页式虚拟存储管理
将该页登记入快表
硬件处理 操作系统处理
• 现代OS的主流存储管理技术
• 首次只把进程第一页信息装入主存， 称为请求页式存储管理
页式虚拟存储管理的页表
• 需要扩充页表项，指出：
– 每页的虚拟地址、实际地址 – 主存驻留标志、写回标志、保护标志、
引用标志、可移动标志
标志位 主存块号 辅助存储器地址 第0页
第n页
页式虚拟存储管理的实现
• CPU处理地址 –若页驻留，则获得块号形成绝对地址 – 若页不在内存，则CPU发出缺页中断
• OS处理缺页中断 –若有空闲页架，则根据辅存地址调入 页，更新页表与快表等 –若无空闲页架，则决定淘汰页，调出 已修改页，调入页，更新页表与快表
页式虚拟存储管理的地址转换
按逻辑地址查快表
否 查页表
该页在快表 中有登记吗？
否 该页在主存？ 是
发缺页中断
形成绝对地址
是 形成绝对地址 继续执行指令
保护现场
计算机操作系统
3 存储管理 – 3.3 页式存储管理 3.3.3 页式虚拟存储管理
掌握页式虚拟存储管理的基本思 想
掌握页式虚拟存储管理的页表 掌握页式虚拟存储管理的地址转
换 掌握缺页中断的处理流程源自页式虚拟存储管理的基本思想
• 把进程全部页面装入虚拟存储器，执 行时先把部分页面装入实际内存，然 后，根据执行行为，动态调入不在主 存的页，同时进行必要的页面调出
《操作系统》课件(五)页式存储管理
段的共享和保护
共享：在不同用户的段表中添入相同的 段表表项。
保护：在段表中添加一个保护位。 思 考：为什么段式存储管理比页式存储
管理更容易实现共享和保护？
段式和页式的问题和优点
页式：解决了碎片问题。但不便于用户作业 的共享和保护。由于用户调入的页可能只用 到其中的一部分，因此系统的效率不高。
210=1024，25=32
（2）根据给定的逻辑地址得到页号和页内地址。
035E（H）=（0000001101011110）2 从左边 数10位为页内地址，剩余为页号。页号为0。
（3）根据页号查页表，得到块号为5。
（4）将块号与块内地址组合为物理地址：
01011101011110=175E（H）
页表的实现—快表
块号
5 12
保护位
R WR
5
5
5
5
5
用户1
用户2
用户3
页式虚拟存储技术
虚拟存储器：内存扩充技术，为用户提供一 个比实际内存大得多的内存空间。
实现虚拟的三个三个条件；
程序中的哪些页已经加载内存。 当要访问的页不在内存时，如何将其掉如内存？ 若此时内存空间已满，如何选择换出的页？
页式虚拟的基本原理：加载作业时，只加载 那些最活跃的页，其余的页需要时再加载。 “请求调页技术”和“预调页技术”。
从上述地址变换过程可以看出：CPU每取一条 指令或数据，都必须经过页表。
因此，页表的每一个表项都是一个动态重定位 机构。
如何实现页表，将影响系统的效率。 方式：
硬件实现：用寄存器组。但代价太高，特别是内存 很大时，是不可能的。
软件实现：将页表放在内存中。每取一条指令，要 两次访问内存。
页式存储管理和段式存储管理
页式存储管理和段式存储管理
页式存储管理和段式存储管理的共同点体现在两者都采⽤离散分配⽅式，且都要通过地址映射机构来实现地址变换。
但在概念上两者完全不同，其主要区别表现在以下三点：
①页是信息的物理单位，页式管理是为实现离散分配⽅式，以减少内存的外零头，提⾼内存的利⽤率，或者说，页式管理是出于系统管理的需要；⽽段是信息的逻辑单位，含有⼀组意义相对完整的信息，段式管理的⽬的是为了能更好地满⾜⽤户的需要。
②页的⼤⼩固定且由系统确定，逻辑地址由页号和页内地址组成，可由机器硬件实现；段长不固定，取决于⽤户所编写的程序，通常由编译程序在对源程序进⾏编译时，根据信息的性质来划分。
③页式管理中，进程地址空间是⼀维的，是单⼀的线性地址空间；⽽段式管理中，进程地址空间是⼆维的，程序员在标识⼀个地址时，既需给出段名，⼜需给出段内地址。
④页式管理有内碎⽚，没有外碎⽚。
段式管理有外碎⽚，没有内碎⽚。
内存页式存储管理
内存页式存储管理为了支持多道程序系统和分时系统,支持多个程序并发执行,引入了分区式存储管理，这里给大家分享一些关于内存页式存储管理，希望对大家能有所帮助。
基本原理将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页(page)，而物理内存划分为同样大小的页框(page frame)。
程序加载时，可将任意一页放人内存中任意一个页框，这些页框不必连续，从而实现了离散分配。
该方法需要CPU的硬件支持，来实现逻辑地址和物理地址之间的映射。
在页式存储管理方式中地址结构由两部构成，前一部分是页号，后一部页式管理方式的优点是：1)没有外碎片，每个内碎片不超过页大比前面所讨论的几种管理方式的最大进步是，2)一个程序不必连续存放。
3)便于改变程序占用空间的大小(主要指随着程序运行，动态生成的数据增多，所要求的地址空间相应增长)。
缺点是：要求程序全部装入内存，没有足够的内存，程序就不能执行。
分为页内地址w(位移量)页式管理的数据结构在页式系统中进程建立时，操作系统为进程中所有的页分配页框。
当进程撤销时收回所有分配给它的页框。
在程序的运行期间，如果允许进程动态地申请空间，操作系统还要为进程申请的空间分配物理页框。
操作系统为了完成这些功能，必须记录系统内存中实际的页框使用情况。
操作系统还要在进程切换时，正确地切换两个不同的进程地址空间到物理内存空间的映射。
这就要求操作系统要记录每个进程页表的相关信息。
为了完成上述的功能，—个页式系统中，一般要采用如下的数据结构。
进程页表：完成逻辑页号(本进程的地址空间)到物理页面号(实际内存空间，也叫块号)的映射。
页式管理地址变换在页式系统中，指令所给出的地址分为两部分：逻辑页号和页内地址。
原理：CPU中的内存管理单元(MMU)按逻辑页号通过查进程页表得到物理页框号，将物理页框号与页内地址相加形成物理地址上述过程通常由处理器的硬件直接完成，不需要软件参与。
通常，操作系统只需在进程切换时，把进程页表的首地址装入处理器特定的寄存器中即可。
页式存储管理方案中
页式存储管理方案中简介页式存储管理是一种常见的存储管理方案，它利用固定大小的页面来组织和管理内存中的数据。
在页式存储管理方案中，内存被划分为多个固定大小的页框，应用程序中的数据被分割为同样大小的页面，并分配到对应的页框中。
这种分页的方式使得操作系统可以更加灵活地管理内存，提高系统的性能和资源利用率。
页式存储管理方案的原理页式存储管理方案主要由两个核心组件组成：页表和页表项。
页表页表是一个数据结构，用于记录每个页面在内存中的位置。
它通常是一个二维数组，第一维表示虚拟页面号，第二维表示物理页面号。
通过页表，操作系统可以根据虚拟页面号找到对应的物理页面号，从而实现页面的映射。
页表项页表项是页表中的一个元素，用于存储与页面相关的信息。
每个页表项通常包含以下几个字段：•有效位（Valid Bit）：表示该页表项是否有效，即该页面是否在内存中。
•修改位（Dirty Bit）：表示该页面是否被修改过。
•引用位（Reference Bit）：表示该页面是否被访问过。
•页面框号（Page Frame Number）：表示该页面在内存中的位置。
通过页表和页表项，操作系统可以根据虚拟页面号查找对应的页表项，进而获取页面在内存中的位置。
页式存储管理方案的优势相比于其他的存储管理方案，页式存储管理方案具有以下几个显著的优势：灵活的管理方式页式存储管理方案将内存划分为大小固定的页面，使得操作系统能够更加灵活地管理内存。
通过分页的方式，操作系统可以将不连续的物理页面映射到连续的虚拟页面中，从而提高内存的利用率，并能够更好地满足应用程序的需求。
高效的页面替换算法在页式存储管理方案中，当系统需要分配一个新的页面时，如果内存中没有空闲页框，就需要使用页面替换算法来选择一个合适的页面进行替换。
页式存储管理方案支持多种页面替换算法，如最近最少使用算法（LRU）、最不经常使用算法（LFU）等。
这些算法可以根据页面的引用位和修改位等信息，选择合适的页面进行替换，从而提高系统的性能和响应速度。
页式存储管理实验报告
页式存储管理一、实验目的：掌握分页式存储管理的基本概念和实现方法。
要求编写一个模拟的分页式管理程序，并能对分页式存储的页面置换算法进行编写和计算各个算法的缺页率。
二、程序设计：首先创建页面链指针数据结构，并设计页面映像表，采用数组的方法给定页面映像。
申请缓冲区，将一个进程的逻辑地址空间划分成若干个大小相等的部分，每一部分称做页面或页。
每页都有一个编号，叫做页号，页号从0开始依次编排，如0，1，2……。
设置等大小的内存块。
初始状态：将数据文件的第一个页面装入到该缓冲区的第0块。
设计页面置换算法，这里分别采用最佳页面置换算法OPT和最近最久未使用置换算法LRU,并分别计算它们的缺页率，以比较它们的优劣。
三、算法说明：执行程序时，当主存没有可用页面时，为了选择淘汰主存中的哪一页面，腾出1个空闲块以便存放新调入的页面。
淘汰哪个页面的首要问题是选择何种置换算法。
该程序采用人工的方法选择，依置换策略选择一个可置换的页，并计算它们的缺页率以便比较。
/*分页式管理实验-源程序*/#include"stdio.h"#define N 16#define num 5 /*进程分配物理块数目*/int A[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,5,2,3,2,7,8,1,4}; /*页表映像*/typedef struct page{ int address; /*页面地址*/struct page *next;}page;struct page *head,*run,*rear;void jccreat() /*进程分配物理块*/{ int i=1;page *p,*q;head=(page *)malloc(sizeof(page)); p=head;for(i=1;i<=num;i++) { q=(page *)malloc(sizeof(page));p->next=q; q->address=0; q->next=NULL; p=q; }rear=p;}int search(int n){page *p;int i=0;p=head;while(p->next){if(p->next->address==n){printf("Get it at the page %d\n",i+1);run=p;return 1;}p=p->next;i++;}return 0;}void changeOPT(int n,int position){int i;int total=0;int flag=1;int distance[num];int MAX;int order=0;page *p,*q;p=head->next;q=head->next;for(i=0;i<num;i++)distance[i]=100;i=0;while(p){if(p->address==0){flag=0;break;}p=p->next;i++;}if(!flag){p->address=n;printf("Change the page %d\n",i+1);}else{while(q){for(i=position;i<N;i++){if(q->address==A[i])distance[total]=i-position;}total++;q=q->next;}MAX=distance[0];for(i=0;i<num;i++){if(distance[i]>MAX){MAX=distance[i];order=i;}}printf("Change the page %d\n",order+1);i=0;while(p){if(i==order)p->address=n;i++;p=p->next;}}}void changeLRU(int n){int i=0;int flag=1;page *p,*delect;p=head->next;while(p){if(p->address==0){flag=0;p->address=n;printf("Change the page %d\n",i+1);break;}p=p->next;i++;}if(flag){delect=head->next;head->next=delect->next;printf("Delect from the head, and add new to the end.\n");delect->address=n;rear->next=delect;rear=delect;rear->next=NULL;}}float OPT(){int i;int lose=0;float losef;float percent;for(i=0;i<N;i++){if(search(A[i])==0){lose++;changeOPT(A[i],i);}}losef=lose;percent=1-(losef/N);return percent;}float LRU(){int i;int lose=0;float losef;float percent;page *p;for(i=0;i<N;i++){if(search(A[i])==0){lose++;changeLRU(A[i]);}else{p=run->next;run->next=p->next;rear->next=p;rear=p;rear->next=NULL;printf("Move it to end of queue.\n");}}losef=lose;percent=1-(losef/N);return percent;}main() /*主函数部分*/{float percent;int choice;printf("Select the arithmetic:\n(1)OPT\n(2)LRU\nyour choice is:"); scanf("%d",&choice);/*选择页面置换算法*/jccreat(); /*创建进程*/if(choice==1) /*采用OPT算法置换*/{percent=OPT(); /*计算OPT时的缺页率*/ printf("The percent of OPT is %f",percent);}else if(choice==2) /*采用LRU算法置换*/ {percent=LRU(); /*计算LRU时的缺页率*/ printf("The percent of OPT is %f",percent);}else printf("Your choice is invalid.");getch();}四．运行结果:最佳（Optimal）置换算法：最近最久未使用(LRU)置换算法：五、心得体会掌握分页式存储管理的基本概念和实现方法。
页式存储管理课件
为了实现数据的高速传输，页式存储 管理还需要依赖于高速的I/O接口，如 PCIe、SAS等。
内存管理单元（MMU）
MMU是页式存储管理中的关键硬件 组件，负责地址转换和页面置换等操 作，保障程序的正确执行。
操作系统支持
01
02
03
虚拟内存管理
操作系统提供虚拟内存管 理机制，将逻辑地址转换 为物理地址，实现程序的 正确执行。
应用程序开发框架
应用程序开发框架提供了 一系列工具和库，帮助开 发者快速开发出高效、稳 定的应用程序。
系统集成工具
系统集成工具用于将不同 的软件系统进行集成，实 现数据的共享和交换。
04
页式存储管理的应用场景
嵌入式系统概述
01
嵌入式系统是一种专用的计算机 系统，通常用于控制、监视或帮 助设备进行特定任务。
内存分配策略
常见的内存分配策略有按需分配、预分配和混合分配。按需分配是指只在需要时才为程序 分配内存空间；预分配是指预先为程序分配一定数量的内存空间；混合分配则结合了按需 分配和预分配的策略。
页面置换算法
当内存空间不足时，需要选择一个页面将其置换出内存，以便为其他页面腾出空间。常见 的页面置换算法有先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）和最优算法（OPT）等。
支持动态分配和按需分配，满足不同程 序的需求。
按照页框进行地址转换，提高了内存利 用率。
特点 页框大小固定，便于管理。
页式存储管理的历史与发展
早期阶段
页式存储管理思想起源于20世纪 50年代，但当时技术条件不成熟
，未得到广泛应用。
发展阶段
随着计算机技术的不断发展，页式 存储管理逐渐得到应用和研究，成 为一种重要的存储管理方式。
页式存储管理的基本思想
页式存储管理的基本思想
分页式存储管理是计算机系统中比较重要的存储管理方法之一。
该方法可以将存储器的存储容量按照一定的大小，分割成若干个分页块，这些分页块被统一称为“页”。
每一页都有一个固定的存储位置，且该页的存储大小可以根据实际的应用情况进行调整。
分页式存储管理的基本思想在于，根据应用程序对存储空间的要求，将程序分割成若干个小块，依次写入磁盘文件中去。
当程序执行时，操作系统可以根据程序所在的页号，从存储器读取指定内存页面，结合分页机制，建立页面预放置机制，迅速加载能够满足用户应用的指令和数据，使得数据的访问更加容易、迅速。
由于分页机制的存在，操作系统可以有效地利用磁盘空间，有利于磁盘存储空间的利用率提高；同时由于每一页都有固定的存储位置，程序执行时，不需要提前查找所需要的数据，而是按页号去访问，可以有效提高程序运行效率；此外，为了节约内存空间，系统也可以将当前未用到的数据，置换出去，供将来使用时重新调入，从而有效地提高内存的性能。
从上面可以看出，分页式存储管理的基本思想是将存储器的存储容量按照一定的大小，分割成若干个页，每一页都有一个固定的存储位置，便于程序运行过程中加载访问数据、提高磁盘利用率，提高内存的性能，有助于操作系统的灵活性和耐用性的提高。
页式存贮管理
页式存贮管理
1 用户程序划分
把用户程序按逻辑页划分成大小相等的部分,称为 页(page)。从0开始编制页号,页内地址是相对于0 编址
2 逻辑地址
用户程序的划分是由系统自动完成的,对用户是 透明的。一般,一页的大小为2的整数次幂,因此,地 址的高位部分为页号,低位部分为页内地址.
31 页号P 12 11 页内位移量W 0
页式存贮管理
3 内存空间 按页的大小划分为大小相等的区域，称为 块或内存块（物理页面，页框）
4 内存分配 以页为单位进行分配，并按作业的页数多少 来分配。逻辑上相邻的页，物理上不一定相 邻
页式存贮管理
5 页表
为了实现动态地址变换，还要为该作业建立
一个页表，用来记录作业的逻辑页与主存块的映
射关系。
控制寄存器
有效地址
页表长度 页表地址
2 1C4
页号 0 1 2
页面号 2 3 8
物理地址 8 1C4
页式存贮管理
7 快表或联想存贮器
从上述地址转换过程可以看出，执行一次访内操作 至少要访问主存两次。一次访页表，一次是实现指定 操作。这样就把程序的执行速度降低一倍。为了提高 存取速度,通常设置一个专用的高速缓冲寄存器组,用 来存放页表的一部分。我们把存放在高速缓冲寄存器 中的页表叫快表，这个高速缓冲寄存器又叫联想存贮 器。
具有快表的地址转换机构
页表地址寄存器 页表长度寄存器
逻辑地址
B
L
页号p 页内地址d
+
页表
p’
比较
P>=L
地址越界
快表
p p’ ..
物理地址 P’
d
页式存贮管理
8 深入一点的讨论
存储管理-页式管理
存储管理-页式管理存储管理-页式管理页式管理解决什么问题分区式管理，存在着严重的碎⽚问题使得内存的利⽤率不⾼1.固定分区，因为每⼀个分区只能分配给某⼀个进程使⽤，⽽该进程可能占不满这个分区，就会有内部碎⽚2.动态分区，会产⽣⼤量的外部碎⽚，虽然可以使⽤紧凑技术，但是这样时间成本过⾼了出现这种情况的原因是分区管理必须要求进程占⽤⼀块连续的内存区域，如果让⼀个进程分散的装⼊到不同的内存分区当中的话，这样就可以充分的利⽤内存，并且不需要紧凑这种技术了。
⽐如把⼀个进程离散的拆分放到零散的内存碎⽚中去，这样就可以更为⾼效的利⽤内存。
也就是产⽣了⾮连续的管理⽅式。
⽐如就是把⼀个进程拆分为若⼲部分，分别放到不同的分区中，⽐如⼀个进程23M，可以拆分为10M，10M，3M放到不同的分区中如果分区分的更⼩，23M拆分为11个2M的，和⼀个1M的，每个分区是2M，那么总共会装满11个分区，剩下⼀个分区装不满，也仅仅浪费1M的空间，也就是分区越⼩的话，那么就是内存利⽤率就会越⾼。
分区式管理时，进程的⼤⼩受分区⼤⼩或内存可⽤空间的限制分区式管理也不利于程序段和数据的共享页式管理的改进页式管理只在内存存放反复执⾏或即将执⾏的程序段与数据部分不经常执⾏的程序段和数据存放于外存待执⾏时调⼊。
页式管理的基本概念页框(页帧):将内存空间分成⼀个个⼤⼩相等的分区，每个分区就是⼀个页框。
页框号:每⼀个页框有⼀个编号，这个编号就是页框号，从0开始页(页⾯):将进程分割成和页框⼤⼩相等的⼀个个区域，也叫页页号:每⼀⼆个页⾯有⼀个编号，叫做页号，从0开始注意:由于最后⼀个页⾯可能没有页框那么⼤，所以页框不可以太⼤，否则会产⽣过⼤的内存碎⽚操作系统会以页框为单位为各个进程分配内存空间，进程的每⼀个页⾯分别放⼊⼀个页框中，也就是进程的页⾯和内存的页框具有⼀⼀对应的关系注意:各个页⾯不需要连续存放，可以放到不相邻的各个页框中如何实现地址的转化1.⾸先需要知道⼀个进程内的页对应物理内存中的起始地址a是多少2.其次要知道进程页内地址b是多少3.逻辑地址对应的实际物理地址就是c=a+b如何计算?⽐如逻辑地址80确定页号：页号=逻辑地址/页⾯长度 1=80/50页内偏移量:页内偏移量=逻辑地址%页⾯长度 30=80%50每个进程页⾯对应物理内存中页框的⾸地址:这是通过页表查询到的，⽐如查询到对应物理内存⾸地址是4500那么对应最终物理地址就是4500+30=4530页表页表的存在是为了让我们知道进程中的⼀个页的页号对应它存放在物理内存中的页框号，进⽽求出页框号对应的⾸地址逻辑地址的结构假如页号有k位，那么页数就是2^k个假如页内地址m位，那么页内地址有2^m个静态页⾯管理在作业或进程开始执⾏之前，把作业或进程的程序段和数据全部装⼊内存的各个页⾯中，并通过页表(page mapping table)和硬件地址变换机构实现虚拟地址到内存物理地址的地址映射。
存储管理实验报告
一、实验目的1. 理解操作系统存储管理的概念和作用。
2. 掌握存储管理的基本算法和策略。
3. 通过实验，加深对存储管理原理的理解，提高实际操作能力。
二、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 软件环境：虚拟机软件VMware Workstation 153. 实验平台：Linux系统三、实验内容1. 存储管理概述2. 页式存储管理3. 段式存储管理4. 分段分页存储管理5. 存储管理算法四、实验步骤1. 页式存储管理实验（1）设置虚拟内存：在Linux系统中，使用`cat /proc/meminfo`命令查看内存信息，然后使用`vmstat`命令查看虚拟内存的使用情况。
（2）编写实验程序：使用C语言编写一个简单的程序，模拟页式存储管理过程。
（3）运行实验程序：编译并运行实验程序，观察程序运行过程中页面的分配、置换和回收过程。
2. 段式存储管理实验（1）设置虚拟内存：同页式存储管理实验。
（2）编写实验程序：使用C语言编写一个简单的程序，模拟段式存储管理过程。
（3）运行实验程序：编译并运行实验程序，观察程序运行过程中段页的分配、置换和回收过程。
3. 分段分页存储管理实验（1）设置虚拟内存：同页式存储管理实验。
（2）编写实验程序：使用C语言编写一个简单的程序，模拟分段分页存储管理过程。
（3）运行实验程序：编译并运行实验程序，观察程序运行过程中段页的分配、置换和回收过程。
4. 存储管理算法实验（1）编写实验程序：使用C语言编写一个简单的程序，模拟不同的存储管理算法（如FIFO、LRU、LFU等）。
（2）运行实验程序：编译并运行实验程序，观察不同算法在页面分配、置换和回收过程中的表现。
五、实验结果与分析1. 页式存储管理实验实验结果表明，页式存储管理可以将大程序离散地存储在内存中，提高内存利用率。
但页式存储管理也存在页面碎片问题，导致内存碎片化。
2. 段式存储管理实验实验结果表明，段式存储管理可以将程序按照逻辑结构划分为多个段，提高了内存的利用率。
《操作系统》课件页式存储管理
延迟释放
对于一些不再使用但仍占用内存 的对象，可以采用延迟释放的策 略，等到系统空闲时再统一进行
内存回收。
实时监控和调试工具使用技巧
使用内存监控工具
可以使用一些内存监控工具来实时监控 系统的内存使用情况，包括内存占用率 、内存分配和释放的频率等，从而及时 发现内存抖动问题。
VS
使用调试工具
影响
内存抖动会导致系统性能下降，因为 频繁的分配和释放操作会消耗大量的 CPU时间，同时还会产生大量的内存 碎片，从而降低内存利用率。
避免或减少内存抖动方法探讨
优化数据结构
通过合理设计数据结构，减少小 块内存的使用，从而降低内存分
配和释放的频率。
内存池技术
使用内存池技术可以预先分配一 块较大的内存区域，并通过自定 义的内存管理算法来管理该内存 区域，从而避免频繁地向系统申
页面大小调整
根据应用程序的特点和访问模式， 动态调整页面大小，以适应不同的 工作负载。
降低缺页率、提高命中率技巧
01
02
03
预测技术
利用程序的行为模式和历 史数据，预测未来可能访 问的页面，并提前将其加 载到内存中。
局部性原理
根据程序的局部性访问原 理，尽量将相关的数据和 代码放在同一个页面内， 以减少页面置换的次数。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
页面保护
采用写时复制、只读保护 等技术，减少不必要的页 面写操作，降低缺页率。
多级页表、反置页表等扩展技术
多级页表
将页表分为多级结构，以减少页表占用的内存空间和加快页表查找速度。
反置页表
将页表项按照物理页帧号进行组织，而不是按照逻辑页号，以加快页表查找和页面置换的速度。
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使用成本太高
11
有 效 位 标志 数据
全相联映像方式
数 据 比 较
CACHE
主 存 储 器
主存字块标记
主存地址
译码
CPU
主存字块标记 块内地址
12
全相联硬件实现举例
31 30 ……… 3 2 1 0 30
有效位 标记
0
数据
有效位 标记
1
数据
…… ……
有效位 标记
1023
数据
=
=
=
……
1024-1选择器
完全随意对应、一对多硬性对应和多对多有限随意对应
提高Cache性能，降低成本
Cache的容量、分层组织、接入方式等方面
8
P215
CACHE的基本运行原理
地址总线
CPU
CACHE ADDR DATA 比较选一行 CACHE CONTROL
数 据 总 线
读 过 程 为 例
译码选一单元
MEMORY
9
CACHE的3种映像方式
地址映像：把一主存单元的数据复制到CACHE中
时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关 系处理后写进CACHE的标志字段，这一过程被称 为CACHE的地址映像。 地址变换：在程序执行时，还要把主存地址变换 为访问CACHE的地址，这一过程被叫做CACHE 的地址变换。 CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全 相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像 方式，3种映像方式有各自的优缺点。
命中
数据
13
计算机原理及系统结构
第三十六讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
直接映像方式
直接映像方式：是指主存的一个字块只能映像到 CACHE的一个准确确定的字块中。 直接映像方式特点：
主存的字块只可以和固定的Cache字块对应，方式直接， 利用率低。 标志位较短，比较电路的成本低。如果主存空间有2m 块，Cache中字块有2c块，则标志位只要有m-c位。且 仅需要比较一次。
19
多路组相联硬件实现举例
Address 31 30 12 11 10 9 8 22 8 321ຫໍສະໝຸດ 0访问概率地址空间
两种局部性：时间局部性和空间局部性
时间局部性：最近被访问的信息很可能还要被访问。 将最近被访问的信息项装入到Cache中。 空间局部性：最近被访问的信息临近的信息也可能被访问。 将最近被访问的信息项临近的信息一起装入到Cache中。
5
高速缓冲存储器（Cache）
用途：设置在 CPU 和 主存储器之间，完成高速 与 CPU 交换信息，尽量避免 CPU不必要地多次 直接访问慢速的主存储器，从而提高计算机系统 的运行效率。 实现：这是一个存储容量很小，但读写速度更快 的，以 关联存储器方式 运行、用静态存储器芯 片实现的存储器系统。 要求：有足够高的命中率，既当 CPU需用主存中 的数据时，多数情况可以直接从CACHE中得到， 称二者之比为命中率。
6
计算机原理及系统结构
第三十五讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
CACHE的基本运行原理
Cache存储单元的组成部分
数据字段：保存从主存单元复制过来的数据 标志字段：保存相应主存单元的地址信息 有效位字段：标识数据字段和标志字段的是否有效
Cache单元的大小：cache line size（几个主存字，减少标志位位 数，较少Cache总容量） Cache与主存交换数据的单位： cache line size（充分利用空间局 部性） Cache单元与主存单元的对应关系，例如：
10
全相联映像方式
全相联映像方式：是指主存的一个字块可以映像 到整个CACHE的任何一个字块中。 全相联映像方式特点：
主存的字块可以和Cache的任何字块对应，利用率高， 方式灵活。 标志位较长，比较电路的成本太高。如果主存空间有 2m块，则标志位要有m位。同时，如果Cache有n块， 则需要有n个比较电路。
计算机原理及系统结构
第三十四讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
第8章
高速缓冲存储器和虚拟存储器
本章主要内容
高速缓冲存储器（Cache）
高速缓存的基本运行原理 高速缓存的3种映像方式 高速缓存使用中的几个问题
虚拟存储器概述 段式存储管理 页式存储管理
虚拟存储器
3
微电子技术发展趋势
CPU与DRAM性能比较
利用率低，命中率低，效率较低
15
有 效 位
直接映像方式
CACHE
标志
数据
数 据
cache 字块 地址
比 较
主存 字块 标记
译 码
主 存 储 器
主存地址
译码 CPU
主存字块 标记
cache字块 地址
块内 地址
16
直接映像硬件实现举例
Address (showing bit positions) 31 30 13 12 11 210
10 1
ê · Ä Ý
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
P214
4
程序的局部性原理
程序在一定时间段内通常只访问较小的地址空间
Byte offset
Hit
20 Tag Index
10
Data
Index Valid Tag 0 1 2
Data
1021 1022 1023 20 32
17
多路组相联映像方式
多路组相联映像方式：是对全相联映像和直接映想象的 一种折衷的处理方案。既不在主存和CACHE之间实现字 块的完全随意对应，也不在主存和CACHE之间实现字块 的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。
1000 ¦ ¶ Ä û ¶ ¨Â É 100
Ü Ô Ä Ð
CPUÓ ë ÷ Ö æ ´ ¢ ´ Æ ÷Ä µ Ð Ô Ä Ü ² î ì £ Ò ¬ à ¿ Ä ê ö Ô ³ ¤50% ¶ ¬ ¯ Ì ´ æ ¢ ´ Æ ÷Ð Ô Ä Ü ¿ Ä Ã ê ö Ô ³ ¤9%
DRAM CPU
´ í ¦ À Æ ÷Ô Ð Ä Ü Ã ¿ Ä ê ö ³ Ô ¤60%
多路组相联映像方式特点： 折衷方案。组间为全相连，组内为直接映像。 集中了两个方式的优点。成本也不太高。
最常用的CACHE映像方式
18
有 效 位 标志
两路组相联映像方式
比较
CACHE 比较
主存地址
主存字 块标记
译码
数 据
主 存 储 器
数据
译码
组地址
译码 CPU
主存字块 标记
组地址
块内 地址