两级页表
单级页表的问题
单级页表结构如下：
考虑如下情况：
某计算机系统按字节寻址，支持32位的逻辑地址，采用分页存储管理，页面大小为4KB，页表项长度为4B。\(4KB=2^{12}B\)，因此页内地址要用12位表示，剩余20位表示页号。
因此，该系统用户进程最多有\(2^{20}\)页，相应的，一个进程的页表中，最多会有\(2^{20}=1M=1,048,576\)个页表项，所以一个页表最大需要\(2^{20}*4B=2^{22}B\)，共需要\(2^{22}/2^{12}=2^{10}\)个页框存储该页表
根据页号查询页表的方法：\(K号页对应的页表项存放位置=页表始址+K\times4\)
要在所有的页表项都连续存放的基础上才能用这种方法找到页表项
所以在这个系统中，需要专门给进程分配\(2^{10} = 1024\)个连续的页框来存放它的页表
根据局部性原理可知，很多时候，进程在一段时间内只需要访问某几个页面就可以正常运行了。因此没有必要让整个页表都常驻内存
总结来看，单级页表有以下两个问题：
- 页表必须连续存放，因此当页表很大时，需要占用很多个连续的页框
- 没有必要让整个页表常驻内存，因为进程在一段时间内很可能只需要访问某几个特定的页面
两级页表解决单级页表连续存储
页表必须连续存放，因此当页表很大时，需要占用很多个连续的页框
思路
将页表进行分组，使每个内存块刚好可以放入一个分组（比如上个例子中，页面大小4KB，每个页表项4B，每个页面可存放1K个页表项，因此每1K个连续的页表项为一组，每组刚好占一个内存块）再将各组离散地放到各个内存块中
同时，为了找到这些离散分布的页表，我们还需要一个类似目录的结构：要为离散分配的页表再建立一张页表，称为页表目录，或称外部页表，或称顶层页表
逻辑地址结构
单级页表
32位逻辑地址空间，页表项大小为4B，页面大小为4KB，则页内地址占12位
| 31-12 | 11-0 |
|---|---|
| 页号 | 页内偏移量 |
二级页表
按上述解决思路进行拆分
两级页表结构的逻辑地址结构
| 31-22 | 21-12 | 11-0 |
|---|---|---|
| 一级页号 | 二级页号 | 页内偏移量 |
地址变换
步骤 1：拆分逻辑地址
将逻辑地址 0x00401ABC 转换为二进制（32 位）：
0000 0000 0100 0000 0001 1010 1011 1100
按两级页表结构拆分：
- 一级页号（前 10 位）：
0000 0000 01→ 0x001（十进制 1） - 二级页号（中间 10 位）：
00 0000 0001→ 0x001（十进制 1） - 页内位移（后 12 位）：
1010 1011 1100→ 0xABC
步骤 2：查询一级页表（页目录）
-
计算一级页表项地址：
-
页目录起始地址：
0x8000。 -
一级页号（0x001） × 页表项大小（4 字节）：
0x8000 + (0x001 × 4) = 0x8004
-
-
读取一级页表项内容：
- 从物理地址
0x8004读取 4 字节数据 → 假设值为0x5000。 - 解析：一级页表项指向 二级页表的物理起始地址为
0x5000。
- 从物理地址
步骤 3：查询二级页表
-
计算二级页表项地址：
-
二级页表起始地址：
0x5000。 -
二级页号（0x001） × 页表项大小（4 字节）：
0x5000 + (0x001 × 4) = 0x5004
-
-
读取二级页表项内容：
- 从物理地址
0x5004读取 4 字节数据 → 假设值为0x123（物理页框号）。 - 解析：该页对应的物理页框号为
0x123（即物理页框起始地址为0x123000，因为页大小为 4KB）。
- 从物理地址
步骤 4：生成物理地址
-
物理页框基址：
0x123000（物理页框号 × 页大小）。 -
页内位移：
0xABC。 -
最终物理地址：
0x123000 + 0xABC = 0x123ABC
两级页表解决冗余内存占用问题
没有必要让整个页表常驻内存，因为进程在一段时间内很可能只需要访问某几个特定的页面
思路
可以在需要访问页面时才把页面调入内存（虚拟存储技术）。
- 可以在页表项中增加一个标志位，用于表示该页面是否已经调入内存
- 若想访问的页面不在内存中，则产生缺页中断，然后将目标页面从外存调入内存
注意事项
-
若采用多级页表机制，则各级页表的大小不能超过一个页面
-
两级页表的访存次数分析（假设没有快表机构）
- 第一次访存：访问内存中的页目录表
- 第二次访存：访问内存中的二级页表
- 第三次访存：访问目标内存单元
- 这里可以注意到，多级页表提升了内存的使用效率，但是增加了访问次数，是一种时间换空间的做法
浙公网安备 33010602011771号