计组_虚拟存储器

2024.06.09：计算机组成原理学习笔记

第11节虚拟存储器*

1.1 分页思想
- 1.1.1 虚拟地址/逻辑地址
- 1.1.2 主存地址/物理地址
- 1.1.3 页表
- 1.1.4 分页方式的缺陷
1.2 分段思想
- 1.2.1 虚拟地址/逻辑地址
- 1.2.2 主存地址/物理地址
- 1.2.3 段表
1.3 段页式思想
- 1.3.1 虚拟地址/逻辑地址
- 1.3.2 主存地址/物理地址
1.4 页式虚拟存储器
- 1.4.1 虚拟存储器的思想
- 1.4.2 实页与虚页
- 1.4.3 请求页表
- 1.4.4 地址转换
- 1.4.5 页表的缺陷（块表）
- - (1) 全相联映射块表
  - (2) 2路组相联块表
- 1.4.7 CPU访存过程
- - (1) TLB命中，则页表一定命中
  - (2) TLB缺失，但页表命中
  - (3) TLB缺失，且页表也缺失
  - - 主存中无空闲页框
    - 主存中有空闲页框
1.5 段式虚拟存储器
1.6 段页式虚拟存储器(了解不考)

存储系统中考频最高的一个考点。

基于操作系统中的内存管理来延展的

1.1 分页思想

学完cache之后，我们应该对分单位块这种思路非常熟悉。就像cache和主存一样，单单给主存划分是不够的，因为你想要做的是，在主存和cache之间找到一个数据交换的单位，这里也是一样的，在主存和进程之间找到一个数据交换的单位

分页思想就是将主存划分固定长且比较小的存储块，称为页框（page frame）或物理块。
将进程划分为固定长的程序块，称为页(page)
页框==页

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一旦出现这种给两个对象划分单元的情况，就是因为我们想要做数据交换或者信息交换

程序运行时，进程的页会离散地装入到主存的页框中（分页思想的好处）

1.1.1 虚拟地址/逻辑地址

进程里面的地址，程序员编程所使用的地址就是虚拟地址，不考虑进程有没有装到主存里去
程序中所用的地址，并非最终放到主存后的地址
逻辑地址的构成：页号 + 页内偏移量

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1.1.2 主存地址/物理地址

程序真正运行时被调入主存后所用的地址
物理地址的构成：页框号 + 页内偏移量

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如何得知进程的某一页会放入主存的哪个页面？

1.1.3 页表

页表记录一个进程从页号到页框号的映射
页表项(一行)：页号 + 页框号
由于页面大小固定，且页表会记录进程所有页面对应的页框号，因此页表中的页号可以隐含
借助页表，我们就能知道某个逻辑地址对应的单元装入内存后的物理地址

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此处注意映射的先后关系！

主存与cache之间映射的先后关系
主存与进程之间映射的先后关系

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1.1.4 分页方式的缺陷

分页方式要求一个进程的所有页面都要一次性调入主存，这种方式没有考虑到局部性原理，使有限的页框资源被不活跃的页占有，浪费主存

1.2 分段思想

将用户进程的逻辑地址空间划分成(大小不等的段)
分段思想是面向(程序员)的思想，程序员可以根据代码里面不同的逻辑段将进程分段，由程序员自行决定
分段思想只给进程分段，而不对主存进行操作可以根据逻辑对段的大小进行划分，但是主存你找不到逻辑
段内的物理地址连续，段间可以离散（与分页的共同点）

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1.2.1 虚拟地址/逻辑地址

程序中所用的地址，并非最终放到主存之后的地址
段号：段号的位数决定每个进程的段的最大数量
段内偏移量：段内偏移量的位数决定进程内单个段的最大大小由于段的大小不同，你无法找到固定的段内偏移量。因此选择最大的段内偏移量，才能囊括

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分段思想是为了方便程序员而提出的内存管理方案

段号和段内偏移量这两个字段必须由用户显示提供

1.2.2 主存地址/物理地址

程序真正运行时被调入主存后所用的地址
由于段式系统的特殊性，并未将主存划分成任何单位，因此物理地址也不划分字段
只要知道某段在主存内的基地址和段长，即可推出段中每个存储单元的物理地址

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1.2.3 段表

每个进程都有一张逻辑空间与内存空间映射的段表
短号+段长+基址
进程的短号顺序递增，因此在段表中可以隐含
基址+段长就可以定位一个段在主存中的连续地址空间

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1.3 段页式思想

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1.3.1 虚拟地址/逻辑地址

程序中所用的地址，并非最终放到主存后的地址
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系统为每个进程建立一张段表
每个段对应一个段表项
一个段表项引出一张页表
页表记录一个段占用了主存的哪些页框

1.3.2 主存地址/物理地址

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步入正题：虚拟存储器

1.4 页式虚拟存储器

1.4.1 虚拟存储器的思想

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前面的各种思想没有考虑到局部性原理，虚拟存储器的思想与cache类似，二者都考虑到了局部性原理

虚拟存储器会将硬盘的一部分空间作为扩展的内存来使用，对用户虚拟出一片巨大的内存空间
进程运行时，只将活跃的页面调入内存，用不到的页面存放在外存中，一旦需要就换入到内存用户不知道
每个程序都认为自己在使用一个连续的、私有的地址空间，实际上它们使用的地址是虚拟地址
操作系统通过一个映射表来将这些虚拟地址转换为物理地址

1.4.2 实页与虚页

在分页存储，就是还没有虚拟的时候，进程划分的页，我们就把它叫做页
在页式虚拟存储器里面，进程划分的这个单元我们就把它划分称虚页
主存在普通的分页管理里面，它就叫做页框或者物理块
在页式虚拟存储器里面，它叫实页，和虚页做对比

操作系统给每个进程都提供同样大小的虚拟地址空间

每个进程的最大虚页数个数是确定的
进程不一定把这些虚拟全部用完
但是最大虚页个数决定了虚拟地址的虚页号

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虚页个数比实页个数要多，否则引入虚存就毫无意义。因此，虚拟地址位数往往比物理地址位数要多

1.4.3 请求页表

每个虚拟页在页表中都会有一个对应表项
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状态位（存在位P）：请求分页系统中只会将进程的一部分调入内存，还有一部分仍在外存的磁盘上，故需要页表中增加存在位字段指示该页是否已调入内存，供进程参考。
访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未访问，提供给置换算法在选择换出页面时参考
修改位M：标识该页在调入内存后是否被修改过，若被修改必须将该页重写到外存上，以保证外存中所保留的副本始终是最新的，供置换页面时参考
外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考