Question

计算机操作系统分页问题

Answer 1

与分页有关的工作

操作系统在四段时间里做与分页有关的工作：进程创建时，进程执行时，缺页中断时和进程终止时。

当在分页系统中创建一个一个新进程时，操作系统需要确定该进程的程序和数据在初始时有多大，并为它们创建一个页表。操作系统还要在内存中为页表分配空间并对其进行初始化。当进程被换出时，页表不需要驻留在内存中，但当进程运行时，页表必须在内存中。

另外，操作系统要在磁盘交换区中分配空间，以便在一个进程换出时在磁盘上有放置此进程的空间。操作系统还要用程序正文和数据对交换区进程初始化，这样当新进程发生缺页中断时，可以调入需要的页面。某些操作系统直接从磁盘上的可执行文件对程序正文进行分页，以节省磁盘空间和初始化时间。

最后，操作系统必须把有关页表和磁盘交换区的信息存储在进程表中。

当调度一个进程执行时，必须为新进程重置MMU，刷新TLB，以清除以前的进程遗留下的痕迹。

当缺页中断发生时，操作系统必须通过读硬件寄存器来确定是哪个虚拟地址造成的缺页中断。并计算出需要的页面以及要替换的老的页面。最后，还要备份程序计数器，使其指向引起缺页终端的指令，并重新执行该指令。

当进程退出的时候，操作系统需要释放进程的页表，页面和页面在硬盘上所占用的空间。但如果有些页面是被共享的，那只有当所有使用共享页面的进程终止时，该共享页面才会被释放。

2. 缺页中断处理

缺页中断时，发生的的事件顺序如下：

硬件陷入内核，在堆栈中保存程序计数器。大多数机器将当前指令的各种状态信息保存在特殊的CPU寄存器中。

启动一个汇编代码例程保存通用寄存器和其他易失的消息，以免被操作系统破坏。

当操作系统发现一个缺页中断时，尝试发现需要哪个虚拟页面。通常一个硬件寄存器包含了这以信息，如果没有的话，操作系统必须检索程序计数器，取出这条指令，用软件分析这条指令，看看它在缺页中断时正在做什么。

一旦知道了发生缺页中断的虚拟地址，操作系统检查这个地址是否有效，并检查存取与保护是否一致。如果不一致，向进程发出一个信号或杀掉该进程。如果地址有效且没有保护错误发生，系统则检查是否有空闲页框。如果没有空闲页框，执行页面置换算法寻找一个页面来淘汰。

如果选择的页框被修改过了，安排该页写回磁盘，并发生一次上下文切换，挂起产生缺页中断的进程，让其他进程运行直至磁盘传输结束。无论如何，该页框被标记为忙，以免因为其他原因而被其他进程占用。

一旦页框干净后，操作系统查找所需页面的在磁盘上的地址，通过磁盘操作将其装入。该页面被装入后，产生缺页中断的进程仍然被挂起，并且如果有其他可运行的用户进程，则选择另一个用户进程运行。

当磁盘中断发生时，表明该页已经被装入，页表已经更新可以反映它的位置，页框也被标记为正常状态。

恢复发生缺页中断指令以前的状态，程序计数器重新指向这条指令。

调度引发缺页中断的进程，操作系统返回调用它的汇编语言例程。

该例程恢复寄存器和其他状态信息，返回到用户空间继续执行，就好像缺页中断没有发生过一样。