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
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给出虚拟地址
VA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
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
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
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