12-虚拟存储器

存储器管理

• 早期计算机：单道程序设计（仅包含系统软件 + 1个用户程序）

• 现代计算机：操作系统 + 若干个用户程序

  • 当所有任务等待I/O时，为避免处理器处于空闲状态，需要尽可能让更多任务进入主存

  • 多道程序设计：让处理器处理多个任务，提升处理器利用率

• 存储器管理

  • 在多道程序系统中，主存需要进一步划分给多个任务，划分的任务由操作系统动态执行

  • 这里不考虑“进程”这一概念

将更多任务装入主存

• 增大主存容量

• 交换技术 Exchange

  • 当主存中没有就绪任务时，OS调入其他任务

  • 分区 Partitioning / 分页 Paging

• 虚拟处理器

  • 请求分页：将不活跃的页面放在外存，仅将需要的页面调入主存

  • 虚拟地址

分区方式

• 系统区：固定地址 存放OS

• 用户区：存放用户程序

简单固定分区

• 用户区划分成长度不等的定长分区

• 任务调入主存时分配可用的、能容纳的最小空间

• 优点：简单

• 缺点：浪费空间

可变长分区

• 用户区按每个任务所需的内存大小进行分配

• 优点：提高主存利用率

• 缺点：时间越长，碎片越多

分页方式

• 页框（page frame）：主存划分成固定长且比较小的存储块

• 页（page）：任务划分成固定长的程序块

• 将页装入页框中

• 同一任务所需的页无需放入连续的页框

• 逻辑地址：指令中的地址

• 物理地址：主存中的地址

虚拟存储器

• 基本思想：请求分页，仅将当前需要的页面调入主存

  • 通过硬件转换逻辑地址为物理地址

  • miss时在主存和硬盘间交换信息

• 优点：对物理内存的封装

  • 不受容量限制，可载入更多任务

  • 无需考虑物理内存的状态，页实际存放的位置

设计

• 页大小：4KB 8KB

• 映射：关联映射

• 写策略：写回（主存比硬盘快100000多倍）

• 类型

  • 分页式虚拟存储器

  • 分段式虚拟存储器

  • 段页式虚拟存储器

分页式虚拟存储器

• 主存和虚拟地址空间都被划分为大小相等的页面

  • 虚拟页 / 逻辑页：虚拟地址空间中的页面

  • 物理页 / 页框：主存空间中的页面

• 页表：虚拟页与物理页的映射

  • 页表包含了所有虚拟页的信息：存放位置（页框号）、valid bit、dirty bit、存取权限

  • 保存在主存中

  • 虚拟地址：页号+偏移量

  • 实际地址：页表映射的页框号+偏移量

  • 页框号位数：主存位数-页面大小位数

• 优点：实现简单、开销小

• 缺点：数据/x指令可能跨页

页表

快表 后备转换缓冲器 Translation Lookaside Buffer TLB

• 页表的缓存

• 快表Tag位数：虚拟地址位数-页面大小位数

• 映射：（组）关联映射

• 替换：随机替换

• 主存中的页表：慢表

CPU 访存过程

CPU访存过程

1. CPU给出虚拟地址 VA

2. 将VA转换为PA

   • 若对应的页表项在TLB中：直接转换

   • 若对应的页表项不在TLB中：缺页处理

3. 获取数据

   • 主存块在Cache中：直接获取

   • 主存块不在Cache中：Cache缺失处理

访存情况

TLB	Page	Cache	说明	主存访问	硬盘访问
Hit	Hit	Hit	直接从Cache获取数据	0	0
Hit	Hit	Miss	将数据从主存读入Cache后获取	1 写Cache	0
Miss	Hit	Hit	将页表读入快表 直接从Cache获取数据	1 读页表	0
Miss	Hit	Miss	将页表读入快表 将数据从主存读入Cache后获取	2 读页表+写Cache	0
Miss	Miss	Miss	将页表读入快表 将数据同时读入主存与Cache后获取	2 读页表+写Cache	1 主存读数据（同时主存自己写入页表相关）
Hit	Miss	Miss	不可能
Hit	Miss	Hit	不可能
Miss	Miss	Hit	不可能

• 页缺失，主存中一定不存在对应的数据，Cache中一定没有对应缓存

• 页缺失，页表中一定不存在对应的映射，TLB中一定没有对应缓存

• Cache Miss：硬件处理

• Page Miss：OS处理

• TLB Miss：硬件/OS处理均可

分段式虚拟存储器

• 将程序与数据分成不同大小的段，将所需的段加载到主存

• 虚拟地址：段号+段内偏移量

• 优点：与程序自然分界对应，便于维护

• 缺点：段长度不固定

段页式虚拟存储器

• 将数据分段，段内再分页

• 虚拟地址：段号+页号+页内偏移量

• 优点：按段实现共享、保护

• 缺点：需要多次查表