輕松計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間

錢曉燕

摘要：本文結合生活中的實際事例，透徹講解分頁式虛擬存儲及相關概念，從而使學生更清晰地了解CPU訪問數(shù)據(jù)的各種情況，實現(xiàn)輕松計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)平均訪問時間的計算。

關鍵詞：分頁存儲 分頁虛擬存儲 頁表 快表 CUP訪問數(shù)據(jù) 計算方法

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0081-01

在教學中很多學生對于計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間很是迷惑，不知從何下手解決，其實解決這一問題的關鍵之處便是要理解分頁虛擬存儲的原理，頁表、快表的概念和存放位置以及CPU 訪問數(shù)據(jù)的基本過程。如果將這些內(nèi)容理解透徹，那計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間就如小菜一碟了。

首先我們來了解分頁存儲管理的基本原理：分頁存儲管理的基本思想是（1）：把內(nèi)存空間分成大小相等、位置固定的若干個分區(qū)，每個小分區(qū)稱為一個存儲塊，簡稱塊或頁框。（2）：把用戶的程序邏輯地址空間分成與存儲塊大小相等的若干頁，稱為頁面。（3）：當作業(yè)提出存儲分配請求時，系統(tǒng)首先根據(jù)存儲塊的大小把作業(yè)分成若干頁，每一頁可存儲在內(nèi)存的任意一個空白塊內(nèi)。作業(yè)有多少頁，那么，把它裝入主存時就分配多少塊。

雖然作業(yè)的邏輯地址分成頁面后是連續(xù)的，但被裝入之后的物理塊未必相鄰，如何建立他們之間的關系呢？如何將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址呢？我們可以從現(xiàn)實的事例出發(fā)去理解，將作業(yè)頁面看成是要歸還倉庫的物品，倉庫中具體存放物品的位置可以看做存儲塊，哪個物品存放在哪個位置需要有個倉庫管理員來做個記錄，便于查找和下次使用。而計算機中的這個管理員就是動態(tài)地址重定位技術，就是將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，而管理員的所做的記錄就是頁表（page table）。頁表是操作系統(tǒng)為進程建立的，是頁面和主存塊的對照表。結合實例枯燥的計算機理論理解起來就容易多了。圖1就是分頁存儲管理的地址轉(zhuǎn)換圖。

其次我們來了解虛擬存儲的基本思想，簡單來說就是把內(nèi)存與外存統(tǒng)一起來形成一個存儲器。作業(yè)運行時，只把必需的一部分信息調(diào)入內(nèi)存，其余部分仍放在外存，當需要時，由系統(tǒng)自動將其從外存調(diào)入內(nèi)存。

最后我們來看看CPU訪問數(shù)據(jù)的基本過程。在此之前，我們先來了解一下快表，頁表可以放在一組寄存器中，但這樣硬件代價太高，一般情況下頁表放在主存中。CUP要訪問數(shù)據(jù)首先要到內(nèi)存找頁表，然后根據(jù)頁表中的物理地址，再次訪問內(nèi)存，也就是要兩次訪問內(nèi)存，這將降低運算速度。于是快表的概念應運而生。所謂快表就是用來存放進程最近訪問的部分頁表項，快表的存取時間遠小于主存，速度快造價高，故容量小?？毂泶鎯τ谟布显O置的相連存儲器中，并不在內(nèi)存中。因而CPU訪問快表上的頁面時間遠小于訪問內(nèi)存的時間。但快表的容量有限，有時訪問的對象不在快表中，也就是沒有命中，這時CPU的訪問順序是：（1）訪問快表，快表中沒有所需頁面；（2）訪問主存中的頁表，找到頁面相應的物理地址；（3）按物理地址訪問數(shù)據(jù)。

說到這兒，計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間就變得很簡單了，就是最好的情況（快表中有所需頁面）和最壞（快表中無所需頁面）的兩種情況的中和。如下例所示：假定訪問主存的時間是200ns，訪問快表的時間是40ns，快表的命中率是85%，則存取的平均時間為：

這樣來理解是不是簡單多了呢？當然這只是從最簡單的角度去理解即所有的數(shù)據(jù)皆在內(nèi)存中，實際情況可能是數(shù)據(jù)可能不在主存而在輔助存儲器中，這樣又涉及到主存命中率。但是計算的方法是相同的，只是更復雜而已。

參考文獻

[1]孫鐘秀.操作系統(tǒng)教程[M].北京：高等教育出版社.

[2]（荷蘭）AndrewS.Tanenbaum.現(xiàn)代操作系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社.

摘要：本文結合生活中的實際事例，透徹講解分頁式虛擬存儲及相關概念，從而使學生更清晰地了解CPU訪問數(shù)據(jù)的各種情況，實現(xiàn)輕松計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)平均訪問時間的計算。

關鍵詞：分頁存儲 分頁虛擬存儲 頁表 快表 CUP訪問數(shù)據(jù) 計算方法

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0081-01

在教學中很多學生對于計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間很是迷惑，不知從何下手解決，其實解決這一問題的關鍵之處便是要理解分頁虛擬存儲的原理，頁表、快表的概念和存放位置以及CPU 訪問數(shù)據(jù)的基本過程。如果將這些內(nèi)容理解透徹，那計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間就如小菜一碟了。

首先我們來了解分頁存儲管理的基本原理：分頁存儲管理的基本思想是（1）：把內(nèi)存空間分成大小相等、位置固定的若干個分區(qū)，每個小分區(qū)稱為一個存儲塊，簡稱塊或頁框。（2）：把用戶的程序邏輯地址空間分成與存儲塊大小相等的若干頁，稱為頁面。（3）：當作業(yè)提出存儲分配請求時，系統(tǒng)首先根據(jù)存儲塊的大小把作業(yè)分成若干頁，每一頁可存儲在內(nèi)存的任意一個空白塊內(nèi)。作業(yè)有多少頁，那么，把它裝入主存時就分配多少塊。

雖然作業(yè)的邏輯地址分成頁面后是連續(xù)的，但被裝入之后的物理塊未必相鄰，如何建立他們之間的關系呢？如何將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址呢？我們可以從現(xiàn)實的事例出發(fā)去理解，將作業(yè)頁面看成是要歸還倉庫的物品，倉庫中具體存放物品的位置可以看做存儲塊，哪個物品存放在哪個位置需要有個倉庫管理員來做個記錄，便于查找和下次使用。而計算機中的這個管理員就是動態(tài)地址重定位技術，就是將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，而管理員的所做的記錄就是頁表（page table）。頁表是操作系統(tǒng)為進程建立的，是頁面和主存塊的對照表。結合實例枯燥的計算機理論理解起來就容易多了。圖1就是分頁存儲管理的地址轉(zhuǎn)換圖。

其次我們來了解虛擬存儲的基本思想，簡單來說就是把內(nèi)存與外存統(tǒng)一起來形成一個存儲器。作業(yè)運行時，只把必需的一部分信息調(diào)入內(nèi)存，其余部分仍放在外存，當需要時，由系統(tǒng)自動將其從外存調(diào)入內(nèi)存。

最后我們來看看CPU訪問數(shù)據(jù)的基本過程。在此之前，我們先來了解一下快表，頁表可以放在一組寄存器中，但這樣硬件代價太高，一般情況下頁表放在主存中。CUP要訪問數(shù)據(jù)首先要到內(nèi)存找頁表，然后根據(jù)頁表中的物理地址，再次訪問內(nèi)存，也就是要兩次訪問內(nèi)存，這將降低運算速度。于是快表的概念應運而生。所謂快表就是用來存放進程最近訪問的部分頁表項，快表的存取時間遠小于主存，速度快造價高，故容量小?？毂泶鎯τ谟布显O置的相連存儲器中，并不在內(nèi)存中。因而CPU訪問快表上的頁面時間遠小于訪問內(nèi)存的時間。但快表的容量有限，有時訪問的對象不在快表中，也就是沒有命中，這時CPU的訪問順序是：（1）訪問快表，快表中沒有所需頁面；（2）訪問主存中的頁表，找到頁面相應的物理地址；（3）按物理地址訪問數(shù)據(jù)。

說到這兒，計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間就變得很簡單了，就是最好的情況（快表中有所需頁面）和最壞（快表中無所需頁面）的兩種情況的中和。如下例所示：假定訪問主存的時間是200ns，訪問快表的時間是40ns，快表的命中率是85%，則存取的平均時間為：

這樣來理解是不是簡單多了呢？當然這只是從最簡單的角度去理解即所有的數(shù)據(jù)皆在內(nèi)存中，實際情況可能是數(shù)據(jù)可能不在主存而在輔助存儲器中，這樣又涉及到主存命中率。但是計算的方法是相同的，只是更復雜而已。

參考文獻

[1]孫鐘秀.操作系統(tǒng)教程[M].北京：高等教育出版社.

[2]（荷蘭）AndrewS.Tanenbaum.現(xiàn)代操作系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社.

摘要：本文結合生活中的實際事例，透徹講解分頁式虛擬存儲及相關概念，從而使學生更清晰地了解CPU訪問數(shù)據(jù)的各種情況，實現(xiàn)輕松計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)平均訪問時間的計算。

關鍵詞：分頁存儲 分頁虛擬存儲 頁表 快表 CUP訪問數(shù)據(jù) 計算方法

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0081-01

在教學中很多學生對于計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間很是迷惑，不知從何下手解決，其實解決這一問題的關鍵之處便是要理解分頁虛擬存儲的原理，頁表、快表的概念和存放位置以及CPU 訪問數(shù)據(jù)的基本過程。如果將這些內(nèi)容理解透徹，那計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間就如小菜一碟了。

首先我們來了解分頁存儲管理的基本原理：分頁存儲管理的基本思想是（1）：把內(nèi)存空間分成大小相等、位置固定的若干個分區(qū)，每個小分區(qū)稱為一個存儲塊，簡稱塊或頁框。（2）：把用戶的程序邏輯地址空間分成與存儲塊大小相等的若干頁，稱為頁面。（3）：當作業(yè)提出存儲分配請求時，系統(tǒng)首先根據(jù)存儲塊的大小把作業(yè)分成若干頁，每一頁可存儲在內(nèi)存的任意一個空白塊內(nèi)。作業(yè)有多少頁，那么，把它裝入主存時就分配多少塊。

雖然作業(yè)的邏輯地址分成頁面后是連續(xù)的，但被裝入之后的物理塊未必相鄰，如何建立他們之間的關系呢？如何將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址呢？我們可以從現(xiàn)實的事例出發(fā)去理解，將作業(yè)頁面看成是要歸還倉庫的物品，倉庫中具體存放物品的位置可以看做存儲塊，哪個物品存放在哪個位置需要有個倉庫管理員來做個記錄，便于查找和下次使用。而計算機中的這個管理員就是動態(tài)地址重定位技術，就是將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，而管理員的所做的記錄就是頁表（page table）。頁表是操作系統(tǒng)為進程建立的，是頁面和主存塊的對照表。結合實例枯燥的計算機理論理解起來就容易多了。圖1就是分頁存儲管理的地址轉(zhuǎn)換圖。

其次我們來了解虛擬存儲的基本思想，簡單來說就是把內(nèi)存與外存統(tǒng)一起來形成一個存儲器。作業(yè)運行時，只把必需的一部分信息調(diào)入內(nèi)存，其余部分仍放在外存，當需要時，由系統(tǒng)自動將其從外存調(diào)入內(nèi)存。

最后我們來看看CPU訪問數(shù)據(jù)的基本過程。在此之前，我們先來了解一下快表，頁表可以放在一組寄存器中，但這樣硬件代價太高，一般情況下頁表放在主存中。CUP要訪問數(shù)據(jù)首先要到內(nèi)存找頁表，然后根據(jù)頁表中的物理地址，再次訪問內(nèi)存，也就是要兩次訪問內(nèi)存，這將降低運算速度。于是快表的概念應運而生。所謂快表就是用來存放進程最近訪問的部分頁表項，快表的存取時間遠小于主存，速度快造價高，故容量小?？毂泶鎯τ谟布显O置的相連存儲器中，并不在內(nèi)存中。因而CPU訪問快表上的頁面時間遠小于訪問內(nèi)存的時間。但快表的容量有限，有時訪問的對象不在快表中，也就是沒有命中，這時CPU的訪問順序是：（1）訪問快表，快表中沒有所需頁面；（2）訪問主存中的頁表，找到頁面相應的物理地址；（3）按物理地址訪問數(shù)據(jù)。

說到這兒，計算分頁虛擬存儲中數(shù)據(jù)的平均訪問時間就變得很簡單了，就是最好的情況（快表中有所需頁面）和最壞（快表中無所需頁面）的兩種情況的中和。如下例所示：假定訪問主存的時間是200ns，訪問快表的時間是40ns，快表的命中率是85%，則存取的平均時間為：

這樣來理解是不是簡單多了呢？當然這只是從最簡單的角度去理解即所有的數(shù)據(jù)皆在內(nèi)存中，實際情況可能是數(shù)據(jù)可能不在主存而在輔助存儲器中，這樣又涉及到主存命中率。但是計算的方法是相同的，只是更復雜而已。

參考文獻

[1]孫鐘秀.操作系統(tǒng)教程[M].北京：高等教育出版社.

[2]（荷蘭）AndrewS.Tanenbaum.現(xiàn)代操作系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社.