B.4 虚拟存储器

一、基本概念

1、虚拟存储器把物理存储器划分成块以后分配给不同的进程；采用一种保护机制来限制各个进程，使其仅能访问属于自己的块。

2、重定位机制允许同一程序在物理存储器中的任意位置运行。

3、页和段用于块，缺页错误和地址错误用于缺失。存储器映射或地址变换：处理器生成虚拟地址，由软硬件组合方式转换成物理地址，再访问主存储器。

4、缓存vs虚拟存储器

（1）缓存缺失主要由硬件控制，虚拟存储器替换主要由操作系统控制。

（2）处理器地址空间大小决定虚拟存储器大小，但是缓存大小与处理器地址空间大小无关。

（3）辅助存储不仅用于充当主存储器的后援存储，还用于文件系统，事实上文件系统占用了大部分辅助存储。

5、虚拟存储器系统的两类：采用固定大小块的页和采用可变大小块的段。

页：寻址方式有一个固定大小的地址，分为页编号和业内偏移量。

段：一个字表示段号，一个字表示段内偏移量。

二、四个问题

（1）一个块可以放在主存储器什么位置？

为了降低缺失代价（旋转磁存储缺失代价高昂），因此操作系统允许块放在主存储器的任何地方。可以标记为全相联。

（2）如果一个块在主存储器中，怎么找到它？

依靠一种按照段号或者页号索引的数据结构（含有块的地址）。分段会将偏移量加到相关的物理地址中获得最终地址；分页则只是被联系到这一物理页地址。物理页地址通常采用页表的数据结构，通过虚拟页号进行索引，大小就是虚拟空间的页数。

（3）在虚拟存储器缺失时应该替换哪个块？

操作系统最高指导准则是将缺页错误降到最低。应该尝试替换最近最少使用（LRU）的块。

为了班助操作系统评估LRU，很多处理器提供了一个使用位或参考位，一般情况下在发生缓冲区缺失时对其置位（在逻辑上只要访问一个页就对其置位）。操作系统定期清除这些使用位，之后再记录它们，判读一个特定时间段用了哪一些页。

（4）在写入时发生了什么？

采用写回策略，由于对第一级的非必要访问成本太高，所以虚拟存储系统通常包含一个脏位，可以仅将上次读取磁盘后修改过的块写至磁盘。

三、快速地址变换技术

分页意味着每次存储器访问在逻辑上至少要分两次进行，第一次是获得物理地址第二次是为了获得数据。我们可以通过局部性来避免增加存储器的访问次数。变换（旁路）缓冲区(TLB/TB)：将地址变换局限在一个特殊缓存中，存储器访问就很少再需要第二次访问来转换数据，这一特殊地址变换缓存就是变换（旁路）缓冲区(TLB/TB)。

TLB项好像是缓存中的一个条目，其中的标记保存了虚拟地址部分，数据部分保存了物理页帧编号、保护字段、有效位，通常还有一个使用位和脏位。如果要改变页表中某一项的物理页帧编号或保护字段，操作系统必须确认旧项不在TLB中，否则系统不会正常运行。（注：此处的脏位表示对应的页曾经被改写过而不是TLB地址变换或数据缓存中的这些特殊块经过改写；操作系统通过改变页表中的值，然后使TLB项失效来重置这些位；在从页表加载该项时，TLB会获得这些位的准确副本）。

图中描述的是Opteron数据TLB组织方式。

步骤1、2：变换首先向所有的标记发送虚拟地址（这些标签必须标记为有效以允许匹配），第二步还需要根据TLB中的保护信息检查存储器访问的类型是否违规。

步骤3：匹配成功的标记通过一个40选1多路选择器发送相应的物理地址。

步骤4：将业内偏移量和物理页帧合并，生成一个完整的大小为40位的物理地址。

四、选择页面大小

（1）页表的大小与页面大小成反比，因此，增大页面大小可以节省存储器（或其他用于存储器映射的资源)。
　（2）B.3节曾经提到，页面较大时，缓存可以更大，缓存命中时间可以更短。
　（3）与传递较小的页面相比，从（向）辅助存储传递较大页面（有可能通过网络）的效率更高一些。
　（4）TLB条目的数量有限，所以页面较大意味着可以高效地映射更多存储器，从而减少TLB缺失数量。
　　由于最后这个原因，近来的微处理器决定支持多种页面大小。对于一些程序，TLB缺失对CPI的影响可能与缓存缺失一样大。
　　采用较小页面的主要目的是节省存储。当虚拟存储器的连续区域的大小不等于页面大小的整数倍时，采用较小的页面可以减少存储的浪费。表示页面中这种未使用存储器的术语是内部碎片化。假定每个进程有3个主要段（文本、堆和栈），每个进程的平均浪费存储量为页面大小的1.5倍。对于有数百MiB存储器、页面大小为4-8 KiB的计算机来说，这点数量是可以忽略的。当然，当页面非常大（超过32KiB)时，就可能浪费存储（主存储器和辅助存储器）和I/O带宽了。最后一个问题是进程启动时间，许多进程很小，所以较大的页面可能会延长调用一个进程的时间。

五、总结

（1）64位的虚拟地址在逻辑上被划分成了虚拟页号和页内偏移量。前者被发送到TLB并且被转换为物理地址，后者的高位被发送到L1缓存，充当索引。

（2）如果TLB缓存命中，那么就会将物理页号发送到L1缓存标记，检查是否匹配。

（3）如果匹配，则是L1缓存命中。块偏移随后为处理器选择该字。如果L1缓存核对为缺失，则使用物理地址尝试L2缓存。

（4）如果L1缓存核对显示为缺失，则使用物理地址尝试L2缓存。物理地址的中间部分用作4MiB L2缓存的索引。将所得到的L2缓存标记与物理地址的上半部分对比，以检查是否匹配。如果匹配，我们得到一次L2缓存命中，数据被送往处理器，处理器使用块偏移量来选择所需字。在发生L2缺失时，会使用物理地址从存储器获取该块。