# 4.3 基本分页存储管理

## 一、分页存储的基本概念

### 1.1 什么是分页

**分页**：将进程的地址空间和内存空间都划分为固定大小的页（Page）和页框（Page Frame），以页为单位进行分配。

### 1.2 页和页框

**页（Page）**：
- 进程地址空间划分为若干大小相等的页
- 页号从0开始

**页框（Page Frame）**：
- 内存空间划分为若干大小相等的页框
- 页框号从0开始

**页大小**：
- 通常为2的幂次方（512B, 1KB, 2KB, 4KB等）
- 典型值：4KB

### 1.3 地址结构

**逻辑地址**：
```
+----------------+-------------+
|     页号 P      |   页内偏移 W  |
+----------------+-------------+
```

**地址转换**：
- 逻辑地址 = 页号 × 页大小 + 页内偏移
- 页号 = 逻辑地址 / 页大小
- 页内偏移 = 逻辑地址 % 页大小

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## 二、页表

### 2.1 页表的作用

**页表**：记录页与页框的映射关系。

**页表项**：
- 页框号：该页对应的页框号
- 状态位：该页是否在内存
- 访问位：该页是否被访问过
- 修改位：该页是否被修改过
- 保护位：该页的访问权限

### 2.2 页表的组织

**页表在内存中**：
- 每个进程有一个页表
- 页表驻留在内存中
- 页表基址寄存器（PTBR）指向页表起始地址

**页表大小计算**：
- 逻辑地址空间：2^n
- 页大小：2^m
- 页数：2^(n-m)
- 页表项大小：假设为4字节
- 页表大小：2^(n-m) × 4字节

### 2.3 地址转换过程

1. 根据逻辑地址计算页号和页内偏移
2. 根据页表基址和页号找到页表项
3. 从页表项中取出页框号
4. 物理地址 = 页框号 × 页大小 + 页内偏移

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## 三、快表（TLB）

### 3.1 什么是快表

**快表（Translation Lookaside Buffer）**：
- 高速缓存，存储最近使用的页表项
- 位于CPU内部或MMU中
- 访问速度比内存快得多

### 3.2 快表的作用

- 加速地址转换
- 减少内存访问次数

### 3.3 快表的工作原理

**命中**：
- 页号在快表中找到
- 直接获取页框号
- 只需1次内存访问

**未命中**：
- 页号不在快表中
- 访问内存中的页表
- 将页表项加入快表
- 需要2次内存访问

### 3.4 快表的命中率

**命中率**：在快表中找到页表项的概率。

**影响因素**：
- 快表大小
- 替换算法
- 程序局部性

**有效访问时间**：
```
EAT = h × (t_TLB + t_M) + (1-h) × (t_TLB + 2×t_M)
```

其中：
- h：命中率
- t_TLB：快表访问时间
- t_M：内存访问时间

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## 四、两级页表和多级页表

### 4.1 为什么需要多级页表

**问题**：
- 大地址空间需要大页表
- 页表占用大量内存

**解决**：
- 将页表分页
- 使用多级页表

### 4.2 两级页表

**结构**：
```
逻辑地址：| 外层页号 | 内层页号 | 页内偏移 |
```

**地址转换**：
1. 外层页表找到内层页表
2. 内层页表找到页框号
3. 计算物理地址

### 4.3 多级页表

**n级页表**：
- 逻辑地址分为n+1个部分
- n级页表 + 页内偏移

**优点**：
- 节省内存空间
- 只需装入使用的页表

**缺点**：
- 地址转换时间增加
- 需要多次内存访问

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## 五、分页的特点

### 5.1 优点

- 无外部碎片
- 内存利用率高
- 实现简单
- 便于共享和保护

### 5.2 缺点

- 有内部碎片
- 页表占用内存
- 地址转换需要额外时间

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## 六、考研重点

1. **分页的基本概念**：页、页框、页大小
2. **地址结构**：页号和页内偏移的计算
3. **页表**：页表项的内容、页表大小计算
4. **地址转换过程**：逻辑地址到物理地址的转换
5. **快表（TLB）**：作用、命中率、有效访问时间计算
6. **多级页表**：为什么需要、两级页表的地址转换
7. **分页的优缺点**

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*下一节：4.4 基本分段存储管理*