大部分虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中都使用一種稱為 分頁（paging) 的技術(shù)，我們現(xiàn)在就介紹這一技術(shù)。在任何一臺計算機上，程序引用了一組內(nèi)存地址。當程序執(zhí)行指令
MOV REG, 1000
時，它把地址為1000的內(nèi)存單元的內(nèi)容復制到REG中（或者相反，這取決于計算機的型號）。地址可以通過索引、基址寄存器、段寄存器或其他方式產(chǎn)生。
由程序產(chǎn)生的這些地址稱為 虛擬地址（ virtual address) ,它們構(gòu)成了一個 虛擬地址空間（ virtual addressspace) 。在沒有虛擬內(nèi)存的計算機上，系統(tǒng)直接將虛擬地址送到內(nèi)存總線上，讀寫操作使用具有同樣地址的物理內(nèi)存字；而在使用虛擬內(nèi)存的情況下，虛擬地址不是被直接送到內(nèi)存總線上，而是被送到 內(nèi)存管理單元（ Memoiy Management Unit, MMU) ，MMU把虛擬地址映射為物理內(nèi)存地址，如圖3-8所示。

圖3-9所示的簡單例子說明了這種映射是如何工作的。在這個例子中，有一臺可以產(chǎn)生16位地址的計算機，地址范圍從0到64K-1，且這些地址是虛擬地址。然而，這臺計算機只有32KB的物理內(nèi)存，因此，雖然可以編寫64KB的程序，但它們卻不能被完全調(diào)入內(nèi)存運行。在磁盤上必須有一個最多64KB的程序核心映像的完整副本，以保證程序片段在需要時能被調(diào)入內(nèi)存。

虛擬地址空間按照固定大小劃分成被稱為 頁面(page) 的若干單元。在物理內(nèi)存中對應的單元稱為 頁框(page frame)。頁面和頁框的大小通常是一樣的，在本例中是4KB,但實際系統(tǒng)中的頁面大小從512字節(jié)到1GB。對應干64KB的虛擬地址空間和32KB的物理內(nèi)存，可得到16個虛擬頁面和8個頁框。
RAM和磁盤之間的交換總是以整個頁面為單元進行的。很多處理器根據(jù)操作系統(tǒng)認為適合的方式，支持對不同大小頁面的混合使用和匹配。例如，X86-64架構(gòu)的處理器支持4KB、2MB和1GB大小的頁面,因此，可以將一組4KB大小的頁面用于用戶程序，將一個1GB大小的頁面用于內(nèi)核程序。稍后將介紹為什么有時候用一個較大的頁面好于用一堆較小的頁面。
圖3-9中的標記符號如下：標記0K-4K的范圍表示該頁的虛擬地址或物理地址是0-4095, 4K~8K的范圍表示地址4096-8191，等等。毎一頁包含了4096個地址，起始于4096的整數(shù)倍位置，結(jié)束于4096倍數(shù)缺1的位置。
當程序試圖訪問地址0時，例如執(zhí)行下面這條指令
MOV REG, 0
將虛擬地址0送到MMU。MMU看到虛擬地址落在頁面0 (0?4095)，根據(jù)其映射結(jié)果，這一頁面對應的是頁框2 (8192-12287)，因此MMU把地址變換為8192,并把地址8192送到總線上。內(nèi)存對MMU一無所知，它只看到一個讀或?qū)懙刂?192的請求并執(zhí)行它。MMU從而有效地把所有從0-4095的虛擬地址映射到了 8192~12287的物理地址。
同樣地，指令
MOV REG, 8192
被有效地轉(zhuǎn)換為:
MOV REG, 24576
因為虛擬地址8192 (在虛擬頁面2中）被映射到物理地址24 576 (在物理頁框6中）上。第三個例子，虛擬地址20 500在距虛擬頁面5 (虛擬地址20 480~24 575>起始地址20字節(jié)處，并且被映射到物理地址12 288 + 20=12 308。通過恰當?shù)卦O置MMU,可以把16個虛擬頁面映射到8個頁框中的任何一個。但是這并沒有解決虛擬地址空間比物理內(nèi)存大的問題。在圖3-9中只有8個物理頁框，干是只有8個虛擬頁面被映射到了物理內(nèi)存中，在圖3-9中用叉號表示的其他頁面并沒有被映射。在實際的硬件中，用一個 “在/不在”位(present/absent bit) 記錄頁面在內(nèi)存中的實際存在情況。
當程序訪問了一個未映射的頁面，例如執(zhí)行指令
MOV REG, 32780
將會發(fā)生什么情況呢？虛擬頁面8 (從32 768開始）的第12個字節(jié)所對應的物理地址是什么呢？ MMU注意到該頁面沒有被映射（在圖中用叉號表示),于是使CPU陷入到操作系統(tǒng)，這個陷阱稱為 缺頁中斷 或 缺頁錯誤（ page fault) 。操作系統(tǒng)找到一個很少使用的頁框且把它的內(nèi)容寫入磁盤（如果它不在磁盤上）。隨后把需要訪問的頁面讀到剛才回收的頁框中，修改映射關(guān)系，然后重新啟動引起陷阱的指令。

例如，如果操作系統(tǒng)決定放棄頁框1，那么它將把虛擬頁面8裝入物理地址4096,并對MMU映射做兩處修改。首先，它要將虛擬頁面1的表項標記為未映射，使以后任何對虛擬地址4096-8191的訪問都導致陷阱。隨后把虛擬頁面8的表項的叉號改為1，因此在引起陷阱的指令m新啟動時，它將把虛擬地址32 780映射為物理地址4108 (4096+12)。
下面査看一下MMU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以便了解它是怎么工作的，以及了解為什么我們選用的頁面大小都是2的整數(shù)次冪 6 在 圖 3-10中可以看到一個虛擬地址的例子，虛擬地址 8196 (二進制是0010000000000100)用圖3-9所示的MMU映射機制進行映射，輸入的丨6位虛擬地址被分為4位的頁號和12位的偏移置。4位的頁號可以表示16個頁面，12位的偏移可以為一頁內(nèi)的全部4096個字節(jié)編址。
可用 頁號 作為 頁表（ page table) 的索引，以得出對應于該虛擬頁面的頁框號。如果“在/不在”位是0,則將引起一個操作系統(tǒng)陷阱。

頁表項

頁表項的結(jié)構(gòu)是與機器密切相關(guān)的，但不同機器的頁表項存儲的信息都大致相同。圖3-11中給出了頁表項的一個例子。不同計算機的頁表項大小可能不一樣，但32位是一個常用的大小。最重要的域是 頁框號。畢竟頁映射的目的是找到這個值，其次是“在/不在”位。這一位是1時表示該表項是有效的，可以使用，如果是0,則表示該表項對應的虛擬頁面現(xiàn)在不在內(nèi)存中，訪問該頁面會引起一個缺頁中斷。
保護（protection)位 指出一個頁允許什么類型的訪問。最簡單的形式是這個域只有一位，0表示讀/寫，1表示只讀。一個更先進的方法是使用三位，各位分別對應是否啟用讀、寫、執(zhí)行該頁面。

為了記錄頁面的使用狀況，引入了修改（modified)位和訪問（ referenced)位。在寫入一貞時由硬件自動設置修改位。該位在操作系統(tǒng)重新分配頁框時是非常有用的。如果一個頁面已經(jīng)被修改過（即它是“臟”的），則必須把它寫回磁盤。如果一個頁面沒有被修改過（即它是“干凈”的），則只簡單地把它丟棄就可以了，因為它在磁盤上的副本仍然是有效的。這一位有時也被稱為臟位（dirty bit),因為它反映了該頁面的狀態(tài)。
不論是讀還是寫，系統(tǒng)都會在該頁面被訪問時設置訪問位。它的值被用來幫助操作系統(tǒng)在發(fā)生缺頁中斷時選擇要被淘汰的頁面。不再使用的頁面要比正在使用的K面更適合淘汰。這一位在即將討論的很多頁面置換算法中都會起到重要的作用。
最后一位用于禁止該頁面被高速緩存。對那些映射到設備寄存器而不是常規(guī)內(nèi)存的頁面而言，這個特性是非常重要的。假如操作系統(tǒng)正在緊張地循環(huán)等待某個I/O設備對它剛發(fā)出的命令作出響應，保證硬件是不斷地從設備中讀取數(shù)據(jù)而不是訪問一個舊的被高速緩存的副本是非常東要的。通過這一位可以禁止髙速緩存。具有獨立的I/O空間而不使用內(nèi)存映射1/0的機器不需要這一位。
應該注意的是，若某個頁面不在內(nèi)存中，用干保存該頁面的磁盤地址不是頁表的組成部分。原因很簡單，頁表只保存把虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址時硬件所需要的信息。操作系統(tǒng)在處理缺頁中斷時需要把該頁面的磁盤地址等信息保存在操作系統(tǒng)內(nèi)部的軟件表格中。硬件不需要它。

為了更好理解頁表項,我們來看一下這個例子
這里直接貼上鏈接
https://blog.csdn.net/u010744711/article/details/51254120/
引用了一張圖片

《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實踐50位技術(shù)專家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统OS-分页、页表的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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