輕松計算分頁虛擬存儲中數據的平均訪問時間

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訪問數據的各種情況，實現輕松計算分頁虛擬存儲中數據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訪問數據 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據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 訪問數據的基本過程。如果將這些內容理解透徹，那計算分頁虛擬存儲中數據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）：把內存空間分成大小相等、位置固定的若干個分區，每個小分區稱為一個存儲塊，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）：當作業提出存儲分配請求時，系統首先根據存儲塊的大小把作業分成若干頁，每一頁可存儲在內存的任意一個空白塊內。作業有多少頁，那么，把它裝入主存時就分配多少塊。

雖然作業的邏輯地址分成頁面后是連續的，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？如何將邏輯地址轉換成物理地址呢？我們可以從現實的事例出發去理解，將作業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地址重定位技術，就是將邏輯地址轉換為物理地址，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，簡單來說就是把內存與外存統一起來形成一個存儲器。作業運行時，只把必需的一部分信息調入內存，其余部分仍放在外存，當需要時，由系統自動將其從外存調入內存。

最后我們來看看CPU訪問數據的基本過程。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要訪問數據首先要到內存找頁表，然后根據頁表中的物理地址，再次訪問內存，也就是要兩次訪問內存，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。快表存儲于硬件上設置的相連存儲器中，并不在內存中。因而CPU訪問快表上的頁面時間遠小于訪問內存的時間。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）按物理地址訪問數據。

說到這兒，計算分頁虛擬存儲中數據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據皆在內存中，實際情況可能是數據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.操作系統教程[M].北京：高等教育出版社.

[2]（荷蘭）AndrewS.Tanenbaum.現代操作系統[M].北京：機械工業出版社.

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訪問數據的各種情況，實現輕松計算分頁虛擬存儲中數據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訪問數據 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據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 訪問數據的基本過程。如果將這些內容理解透徹，那計算分頁虛擬存儲中數據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）：把內存空間分成大小相等、位置固定的若干個分區，每個小分區稱為一個存儲塊，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）：當作業提出存儲分配請求時，系統首先根據存儲塊的大小把作業分成若干頁，每一頁可存儲在內存的任意一個空白塊內。作業有多少頁，那么，把它裝入主存時就分配多少塊。

雖然作業的邏輯地址分成頁面后是連續的，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？如何將邏輯地址轉換成物理地址呢？我們可以從現實的事例出發去理解，將作業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地址重定位技術，就是將邏輯地址轉換為物理地址，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，簡單來說就是把內存與外存統一起來形成一個存儲器。作業運行時，只把必需的一部分信息調入內存，其余部分仍放在外存，當需要時，由系統自動將其從外存調入內存。

最后我們來看看CPU訪問數據的基本過程。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要訪問數據首先要到內存找頁表，然后根據頁表中的物理地址，再次訪問內存，也就是要兩次訪問內存，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。快表存儲于硬件上設置的相連存儲器中，并不在內存中。因而CPU訪問快表上的頁面時間遠小于訪問內存的時間。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）按物理地址訪問數據。

說到這兒，計算分頁虛擬存儲中數據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據皆在內存中，實際情況可能是數據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.操作系統教程[M].北京：高等教育出版社.

[2]（荷蘭）AndrewS.Tanenbaum.現代操作系統[M].北京：機械工業出版社.

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訪問數據的各種情況，實現輕松計算分頁虛擬存儲中數據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訪問數據 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據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 訪問數據的基本過程。如果將這些內容理解透徹，那計算分頁虛擬存儲中數據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）：把內存空間分成大小相等、位置固定的若干個分區，每個小分區稱為一個存儲塊，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）：當作業提出存儲分配請求時，系統首先根據存儲塊的大小把作業分成若干頁，每一頁可存儲在內存的任意一個空白塊內。作業有多少頁，那么，把它裝入主存時就分配多少塊。

雖然作業的邏輯地址分成頁面后是連續的，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？如何將邏輯地址轉換成物理地址呢？我們可以從現實的事例出發去理解，將作業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地址重定位技術，就是將邏輯地址轉換為物理地址，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，簡單來說就是把內存與外存統一起來形成一個存儲器。作業運行時，只把必需的一部分信息調入內存，其余部分仍放在外存，當需要時，由系統自動將其從外存調入內存。

最后我們來看看CPU訪問數據的基本過程。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要訪問數據首先要到內存找頁表，然后根據頁表中的物理地址，再次訪問內存，也就是要兩次訪問內存，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。快表存儲于硬件上設置的相連存儲器中，并不在內存中。因而CPU訪問快表上的頁面時間遠小于訪問內存的時間。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）按物理地址訪問數據。

說到這兒，計算分頁虛擬存儲中數據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據皆在內存中，實際情況可能是數據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.操作系統教程[M].北京：高等教育出版社.

[2]（荷蘭）AndrewS.Tanenbaum.現代操作系統[M].北京：機械工業出版社.