二級分頁的效能

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二級分頁系統，有時也稱為分層分頁，是一種在具有大量物理記憶體的計算機系統中將虛擬地址轉換為物理地址的方法。

在二級分頁方案中，頁表被分成兩部分：頂級頁表和底層頁表。頂級頁表中包含指向底層頁表的指標。每個底層頁表將虛擬地址空間的一部分對映到物理地址空間的一部分。

當程序生成虛擬地址時，處理器首先使用頁號索引到頂級頁表。在頂級頁表中得到的條目中可以找到指向包含虛擬地址對映的底層頁表的指標。然後，CPU 使用頁偏移量索引到底層頁表並獲取物理地址。

二級分頁策略降低了作業系統的記憶體開銷和頁表大小。降低查詢頁表所需的時間，也提高了系統的速度。

二級分頁的工作原理

為了將虛擬地址轉換為物理地址，二級頁表用於將虛擬記憶體劃分為固定大小的頁面。頁表的第一級，有時稱為頁目錄，包含指向頁表第二級的頁表條目的列表。頁表的第二級，也稱為頁表，包含將虛擬地址轉換為物理地址的頁表條目的列表。

當程式訪問記憶體時，處理器會在頁表的第一級查詢與虛擬地址對應的條目。此條目中包含對頁表第二級的引用。然後，處理器透過掃描頁表的第二級來查詢與虛擬地址匹配的頁表條目。此條目中列出了與虛擬地址匹配的物理地址。

效能指標

可以使用多種效能指標來評估二級分頁的有效性。一個重要的指標是缺頁率。這計算的是程式嘗試訪問必須從磁碟調入記憶體（因為它不在物理記憶體中）的頁面的次數。如果缺頁率很高，則系統可能花費太多時間在將頁面調入和調出記憶體，這可能會影響系統性能。

另一個重要的指標是TLB命中率。此計數代表由TLB（轉換旁路緩衝區）處理的記憶體訪問比例。TLB是一個快取，用於儲存以前使用過的頁表條目，以提供更快的記憶體訪問。較高的TLB命中率可能表示系統正在有效地利用TLB並快速訪問記憶體。

另一個重要的效能指標是記憶體開銷。這計算的是儲存頁表所需的RAM量。較高的記憶體開銷可能意味著系統正在記憶體中儲存過多的頁表，這將減少可用於應用程式的記憶體量。

二級分頁中效能計算公式

可以使用許多指標來評估計算機的記憶體系統性能，包括平均訪問時間、命中率和未命中率。可以使用以下公式來計算二級分頁系統中的一些效能指標。

平均記憶體訪問時間

AMAT= (t1+t2 ×p) + (t3+t4 ×q)

其中：

• t1 是訪問一級頁表的時間

• t2 是訪問二級頁表條目的時間

• p 是一級頁表命中機率

• t3 是訪問記憶體頁的時間

• t4 是更新頁表條目的時間

• q 是二級頁表命中機率

一級頁表命中率

p=1-q

其中 q 是二級頁表命中率。

二級頁表命中率

q=1-(1/S)×(1-H)

其中：

• S 是二級頁表中的條目數

• H 是二級頁表中記憶體頁的命中率

記憶體頁命中率

H=1-(1/F)^((1/B) )

其中：

• F 是記憶體中幀數

• B 是一個記憶體幀中可以容納的頁表條目數

請注意，這些計算是近似的，並沒有考慮所有可能影響分頁系統性能的因素，包括頁面置換技術、快取和TLB快取。

實際應用

二級分頁（通常稱為二級虛擬記憶體分頁）的效率是計算機體系結構的一個關鍵組成部分，具有多種實際應用。在二級分頁中，程序的虛擬地址空間被劃分為頁目錄和頁表。這使得能夠有效地管理記憶體資源，並使程序彼此隔離。

• 包括Windows、Linux和macOS在內的現代作業系統通常使用二級分頁。這些系統透過二級分頁來管理活動程序的記憶體資源。

• 透過將每個程序的虛擬地址空間劃分為不同的頁目錄和表，作業系統可以確保每個程序只能訪問它自己的記憶體空間，並且不能干擾其他程序的記憶體。這提高了系統的整體安全性和穩定性。

虛擬機器是二級分頁的另一個環境。虛擬機器使用二級分頁來跨單個物理機上執行的多個客戶作業系統分配記憶體資源。

• 分配給每個客戶作業系統的頁目錄和表允許有效地管理記憶體資源，併為每個客戶系統提供與其他系統隔離的安全保障。

• 此外，二級分頁可用於即時應用程式和嵌入式系統，在這些系統中，記憶體資源通常受到限制。

• 這些系統可以透過使用二級分頁有效地管理其可用記憶體，並確保關鍵程序擁有其正常執行所需的資源。

在廣泛的計算機應用程式中，二級分頁的效率是有效且安全地使用記憶體資源的關鍵組成部分。

未來工作

二級分頁的效能仍有很大的改進空間。未來的研究應該考察不同頁表組織方式的影響。例如，研究人員可以研究使用超過兩層頁表或混合策略（將分頁與其他記憶體管理策略相結合）的影響。

未來的研究還應該考察不同頁面大小的影響。二級分頁中使用的頁面大小會顯著影響系統的效能。研究人員可以研究使用較小或較大頁面大小的影響，以找到適合不同應用程式的最佳頁面大小。

結論

總之，二級分頁是現代記憶體管理中的一個重要組成部分。它提供了許多優點，包括減少記憶體碎片和改進記憶體分配管理。它也可能有一些缺點，例如維護多級表所需的額外開銷。可以使用一些效能指標來評估二級分頁的效能，例如缺頁率、TLB命中率和記憶體開銷。在實際應用中，二級分頁提供了一種可靠且高效的記憶體管理方法，並且經常在作業系統和嵌入式裝置中使用。儘管仍有許多工作有待完成以提高二級分頁的效能，但它仍然是現代記憶體管理中的一個重要組成部分，並且很可能在未來許多年內繼續使用。