جدول الصفحات

يحتوي كل مدخل في جدول الصفحات (PTE) على الربط بين العنوان الظاهري للصفحة وعنوان الإطار الفعلي. كما يتضمن معلومات إضافية عن الصفحة، مثل بت التواجد، وبت التعديل أو التغيير، ومعلومات مساحة العنوان أو معرّف العملية، وغيرها.

يمكن استخدام وحدات التخزين الثانوية، مثل محرك الأقراص الصلبة، لزيادة سعة الذاكرة الفعلية. ويمكن نقل الصفحات من وإلى الذاكرة الفعلية والقرص. وتشير بتة "الوجود" إلى الصفحات الموجودة حاليًا في الذاكرة الفعلية أو على القرص، كما تشير إلى كيفية التعامل مع هذه الصفحات المختلفة، أي ما إذا كان سيتم تحميل صفحة من القرص ونقل صفحة أخرى من الذاكرة الفعلية.

تتيح بتة التعديل تحسين الأداء. لا تحتاج الصفحة الموجودة على القرص والتي يتم تحميلها إلى الذاكرة الفعلية، ثم قراءتها منها، ثم إخراجها منها مرة أخرى، إلى إعادة كتابتها إلى القرص، لأن الصفحة لم تتغير. مع ذلك، إذا تمت الكتابة إلى الصفحة بعد تحميلها، فسيتم ضبط بتة التعديل، مما يشير إلى ضرورة إعادة كتابة الصفحة إلى وحدة التخزين الاحتياطية. تتطلب هذه الاستراتيجية أن تحتفظ وحدة التخزين الاحتياطية بنسخة من الصفحة بعد تحميلها إلى الذاكرة. عند عدم استخدام بتة التعديل، يكفي أن يكون حجم وحدة التخزين الاحتياطية مساويًا للحجم الإجمالي اللحظي لجميع الصفحات التي تم إخراجها في أي لحظة. أما عند استخدام بتة التعديل، فستكون هناك دائمًا بعض الصفحات موجودة في كل من الذاكرة الفعلية ووحدة التخزين الاحتياطية.

في أنظمة التشغيل التي لا تعتمد على مساحة عنوان واحدة ، تُعدّ معلومات مساحة العنوان أو مُعرّف العملية ضرورية لكي يعرف نظام إدارة الذاكرة الافتراضية الصفحات التي يجب ربطها بكل عملية. قد تستخدم عمليتان عنوانين افتراضيين متطابقين لأغراض مختلفة. يجب أن يُوفّر جدول الصفحات خرائط ذاكرة افتراضية مختلفة لكلتا العمليتين. يُمكن تحقيق ذلك من خلال تعيين مُعرّفات خريطة عناوين مُختلفة لكلتا العمليتين، أو باستخدام مُعرّفات العمليات. كما يُساعد ربط مُعرّفات العمليات بصفحات الذاكرة الافتراضية في اختيار الصفحات التي سيتم ترحيلها، حيث إن الصفحات المرتبطة بالعمليات غير النشطة، وخاصةً العمليات التي تم ترحيل صفحات التعليمات البرمجية الخاصة بها، أقل عرضةً للاحتياج الفوري من الصفحات التابعة للعمليات النشطة.

كبديلٍ لربط مدخلات جدول الصفحات بمعرفات فريدة لكل عملية، قد يشغل جدول الصفحات نفسه صفحة ذاكرة افتراضية مختلفة لكل عملية، ليصبح بذلك جزءًا من سياق العملية. في هذا التطبيق، يمكن إخراج جدول صفحات العملية من الذاكرة كلما لم تعد العملية موجودة فيها.

يُمكن اعتبار جدول الصفحات المعكوس ( IPT) امتدادًا خارجيًا لجدول ترجمة العناوين (TLB) يستخدم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) العادية للنظام. على عكس جدول الصفحات الحقيقي، لا يُمكنه بالضرورة استيعاب جميع عمليات الربط الحالية. يجب أن يكون نظام التشغيل مُهيأً للتعامل مع حالات عدم الوصول إلى الصفحة المطلوبة، تمامًا كما هو الحال مع جدول ترجمة العناوين (TLB) البرمجي المُعتمد على معمارية MIPS.

يجمع جدول الصفحات المعكوس (IPT) بين جدول الصفحات وجدول الإطارات في بنية بيانات واحدة. يتكون جوهره من جدول ثابت الحجم، حيث يساوي عدد صفوفه عدد الإطارات في الذاكرة. فإذا كان هناك 4000 إطار، فإن جدول الصفحات المعكوس يحتوي على 4000 صف. لكل صف مدخل لرقم الصفحة الافتراضية (VPN)، ورقم الصفحة الفعلية (وليس العنوان الفعلي)، وبعض البيانات الأخرى، وآلية لإنشاء سلسلة تصادم ، كما سنرى لاحقًا.

يُعدّ البحث في جميع مدخلات بنية IPT الأساسية غير فعّال، ويمكن استخدام جدول تجزئة لربط العناوين الافتراضية (ومعلومات مساحة العناوين/PID عند الحاجة) بفهرس في IPT - وهنا يُستخدم جدول التصادم. يُعرف جدول التجزئة هذا بجدول مرجع التجزئة . لا تُحسّن دالة التجزئة عادةً من حيث التغطية، فالسرعة الخام هي الأهم. وبطبيعة الحال، تتعرض جداول التجزئة للتصادمات. ونظرًا لدالة التجزئة المختارة، قد نواجه العديد من التصادمات أثناء الاستخدام، لذا يُزوّد ​​VPN لكل مدخل في الجدول بالتحقق مما إذا كان المدخل المطلوب أم تصادمًا.

عند البحث عن خريطة، يُستخدم جدول تجزئة الروابط. إذا لم يكن هناك مدخل، يحدث خطأ في الصفحة. وإلا، يتم العثور على المدخل. اعتمادًا على بنية النظام، قد يُعاد وضع المدخل في ذاكرة الترجمة السريعة (TLB) ويُعاد تشغيل مرجع الذاكرة، أو قد يتم تتبع سلسلة التصادم حتى استنفادها وحدوث خطأ في الصفحة.

يمكن تقسيم العنوان الافتراضي في هذا المخطط إلى قسمين، النصف الأول هو رقم الصفحة الافتراضي والنصف الثاني هو الإزاحة في تلك الصفحة.

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في هذا التصميم في ضعف تجاور البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت، والناجم عن دالة التجزئة . تتجنب التصاميم القائمة على الشجرة هذه المشكلة بوضع مدخلات جدول الصفحات للصفحات المتجاورة في مواقع متجاورة، لكن جدول الصفحات المعكوس يُفقد تجاور البيانات مكانيًا بتوزيع المدخلات في أماكن متفرقة. قد يُقلل نظام التشغيل حجم جدول التجزئة للتخفيف من هذه المشكلة، ولكن على حساب زيادة معدل فقدان البيانات.

يوجد عادةً جدول تجزئة واحد، متجاور في الذاكرة الفعلية، تشترك فيه جميع العمليات. يُستخدم مُعرِّف خاص بكل عملية لتمييز صفحات العمليات المختلفة عن بعضها. يُعد حذف إدخالات جدول الصفحات لعملية معينة عملية بطيئة نوعًا ما؛ لذا قد يتجنب نظام التشغيل إعادة استخدام قيم مُعرِّف كل عملية لتأخير هذه العملية. كبديل، يمكن استخدام جداول تجزئة خاصة بكل عملية، لكنها غير عملية بسبب تجزئة الذاكرة ، مما يتطلب تخصيص الجداول مسبقًا.

تُستخدم جداول الصفحات المعكوسة على سبيل المثال في معالجات PowerPC و UltraSPARC و IA-64 . ^{[ 4 ]}

يحتفظ جدول الصفحات المعكوس بقائمة بالخرائط المُثبّتة لجميع الإطارات في الذاكرة الفعلية. مع ذلك، قد يكون هذا مُهدرًا للموارد. بدلًا من ذلك، يُمكننا إنشاء بنية جدول صفحات تحتوي على خرائط للصفحات الافتراضية. يتم ذلك عن طريق الاحتفاظ بعدة جداول صفحات تُغطي كتلة مُحددة من الذاكرة الافتراضية. على سبيل المثال، يُمكننا إنشاء  صفحات أصغر حجمًا (1024 مدخلًا، 4 كيلوبايت) تُغطي 4  ميجابايت من الذاكرة الافتراضية.

يُعدّ هذا مفيدًا لأنّ الأجزاء العلوية والسفلية من الذاكرة الافتراضية تُستخدم غالبًا لتشغيل العمليات؛ فالجزء العلوي يُستخدم عادةً لمقاطع النصوص والبيانات، بينما يُستخدم الجزء السفلي للمكدس، مع وجود مساحة ذاكرة فارغة بينهما. وقد يحتفظ جدول الصفحات متعدد المستويات ببعض جداول الصفحات الأصغر لتغطية الأجزاء العلوية والسفلية من الذاكرة فقط، ولا يُنشئ جداول جديدة إلا عند الضرورة القصوى.

الآن، ترتبط كل من جداول الصفحات الأصغر هذه بجدول صفحات رئيسي، مما يُنشئ فعليًا بنية بيانات شجرية . لا يقتصر الأمر على مستويين فقط، بل قد يكون هناك مستويات متعددة. على سبيل المثال، يمكن تقسيم عنوان افتراضي في هذا المخطط إلى ثلاثة أجزاء: الفهرس في جدول الصفحات الجذرية، والفهرس في جدول الصفحات الفرعية، والإزاحة في تلك الصفحة.

تُعرف جداول الصفحات متعددة المستويات أيضًا باسم "جداول الصفحات الهرمية".

ذُكر أن إنشاء بنية جدول صفحات تحتوي على تعيينات لكل صفحة افتراضية في مساحة العناوين الافتراضية قد يكون مُهدرًا للموارد. ولكن، يُمكننا تجاوز مشكلة المساحة الزائدة بوضع جدول الصفحات في الذاكرة الافتراضية، والسماح لنظام الذاكرة الافتراضية بإدارة الذاكرة الخاصة به.

ومع ذلك، يجب أن يبقى جزء من بنية جدول الصفحات الخطية هذه دائمًا موجودًا في الذاكرة الفعلية من أجل منع أخطاء الصفحات الدائرية والبحث عن جزء رئيسي من جدول الصفحات غير موجود في جدول الصفحات.

يمكن استخدام جداول الصفحات المتداخلة لتحسين أداء المحاكاة الافتراضية للأجهزة . ومن خلال توفير دعم الأجهزة لمحاكاة جداول الصفحات ، تقل الحاجة إلى المحاكاة بشكل كبير. بالنسبة لمحاكاة x86 الافتراضية، تشمل الخيارات الحالية ميزة جدول الصفحات الموسع من إنتل وميزة فهرسة المحاكاة الافتراضية السريعة من AMD .