虚拟存储器
思维导图¶
分区方案¶
简单分区：¶
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原理：使用长度不等的固定长分区，当一个进程调入主存时，分配给它一个能容纳的最小分区
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缺点：固定长度的分区，可能会浪费 主存空间。多数情况下，进程对分区大小的需求不可能和提供的分区大小一样
可变长分区（Partitioning）¶
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原理：分配的分区大小与进程所需大小一样
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特点：开始较好 ，但到最后存储器中会有许多碎片。时间越长，存储器的碎片会越来越多，存储器的利用率下降
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程序员自己手动管理内存，可以改善内存碎片化问题（例如一次性 malloc 或 new、stl 新建容器好几 kb 大小......
分页（Paging）¶
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基本思想
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内存分成固定长且较小的存储块(页框/page frame)
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每个进程也划分成固定长的程序块(页/page)
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程序块(页/page)可装到内存可用的存储块(页框/page frame)中
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无需用连续页框来存放一个进程
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操作系统为每个进程生成一个页表：页和页框一一对应的关系表
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通过页表(page table)实现逻辑地址向物理地址转换(Address Mapping)
虚存技术的实质¶
程序员在比实际主存空间大得多的逻辑地址空间编写程序¶
程序执行时，把当前需要的程序段和相应的数据块调入主存，其他暂不用的部分存放在磁盘上¶
指令执行时，通过硬件将逻辑地址(亦称虚拟地址或虚地址)转化为物理地址(亦称主存地址或实地址)//分页查表¶
在发生指令或数据访问失效时，由操作系统进行主存和磁盘之间的信息交换¶
每个进程都有专属于自己的从 0 到 FFFFFFFFH 的地址空间¶
快表 / 转换后备缓冲器 / TLB (Translation Lookaside Buffer)¶
原理：¶
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使用 Cache 来存储页表项，称为 TLB，它包含最近使用的那些页表项，加速虚实地址转换
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多用全相联：命中率高，小、成本不高
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采用随机替换策略：降低替换算法开销
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采用回写策略：减少访问内存的次数
TLB 页表项¶
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Tag 位
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Index 位，组相联时才有
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Physical Adress，对应物理页框号
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其他标志位
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Valid 位，1 位
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Dirty 位，1 位
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Ref
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Access
TLB 缺失¶
基本概念¶
主存分配¶
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操作系统：固定（ROM）
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用户区：分区（RAM）
三种地址空间：¶
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虚拟地址空间
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主存地址空间
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辅存地址空间
地址映射：把虚拟地址空间映射到主存地址空间¶
地址变换：程序运行时，把虚拟地址变换成主存物理地址¶
为什么需要虚存¶
同时运行更多进程，内存需求增大¶
允许多个程序有效而安全地共享存储器，消除内存因小而有限的存储器容量给程序设计造成的障碍¶
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可以更有效的共享处理器和主存
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虚拟存储器实现程序地址空间到物理空间的转换，加强了各个程序地址空间之间的保护
允许单用户程序大小超过主存储器的容量¶
- 虚拟存储器自动管理主存和辅存组成的两级层次结构
虚存组织方式¶
页式¶
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原理：
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虚存地址空间和主存地址空间按统一大小分成若干页，虚存称为虚页，主存称为实页
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程序按页从磁盘调入主存(某一虚页调入某一实页)
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指令给出虚拟地址/逻辑地址
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每个页表项记录对应的虚页情况
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Valid 为 0 说明“miss”(称为 page fault / 缺页)
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CPU 执行指令时，先将逻辑地址转换为物理地址
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地址转换由 MMU 实现
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页大小比 Cache 中 Block 大得多
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采用全相联映射
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通过软件来处理“缺页”
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采用 Write Back 写策略
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地址格式
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虚存的地址格式 (逻辑地址格式)：
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直接映射虚拟地址
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高位，虚拟地址比物理地址长的位数，算在 Tag 位里
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Tag 位，标记位 长度 = log _2 ( 主存中 页 的 数量 / TLB 中 页表项 的 数量 )
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Index 位，Cache 槽号 长度 = log _2 ( TLB 中 页表项 的 数量 )
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Offset 位，页内地址 长度 = log _2 ( 页 的 大小 ) (按编址单位算)
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全相联虚拟地址
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高位，虚拟地址比物理地址长的位数，算在 Tag 位里
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Tag 位，标记位 长度 = log _2 ( 主存中 页 的 数量 )
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Offset 位，页内地址 长度 = log _2 ( 页 的 大小 ) (按编址单位算)
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n 路组相联虚拟地址
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高位，虚拟地址比物理地址长的位数，算在 Tag 位里
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Tag 位，标记位 长度 = log _2 ( 主存中 页 的 数量 / 组的数量)
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组号位 长度 = log _2 ( 组 的 数量 )
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Offset 位，页内地址 长度 = log _2 ( 页 的 大小 ) (按编址单位算)
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主存的地址格式 (物理地址格式)：
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实页号 / 物理页号
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页内地址
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页表(Page Table) 建立一个映射关系表来存放虚拟地址与物理地址之间的映射关系，该映射关系表被称为页表，用来实现虚实地址的转换
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建立在主存中，操作系统为每道程序建立一个页表
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设置页表基址寄存器：保存页表在主存中的起始地址
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页表项
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装入位
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修改(Dirty)位
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替换控制位
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访问权限位
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禁止缓存位
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实页号
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页表的项数 = 页表的容量 = 最大页表项 = 虚存大小 / 页大小
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页表大小 = 页表的项数 * 页表项大小
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异常情况
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缺页( page fault)
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产生条件：当 Valid(有效位 / 装入位)为 0 时
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相应处理：从磁盘中读信息到内存，若内存没有空间，则还要从内存选择一页替换到磁盘上，替换算法类似于 Cache，采用回写法，页面淘汰时，根据“dirty”位确定是否要写磁盘
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异常处理结束后：缺页发生时，当前指令的执行被阻塞，当前进程挂起；缺页处理结束后，回到原指令继续执行
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保护违例( protection_violation_fault )
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产生条件： 当 Access Rights (存取权限)与所指定的具体操作不相符时
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相应处理：在屏幕上显示“内存保护错”信息
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异常处理结束后：当前指令执行被阻塞，当前进程终止
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Access Rights (存取权限)可能的取值有哪些？
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R = Read-only
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R/W = read/write
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X = execute only
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特点
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优点：实现简单，开销少。因为只有进程的最后一个零头（内部碎片）不能利用，故浪费很小
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缺点：由于页不是逻辑上独立的实体，可能会出现如“一条指令跨页”等情况（CISC），使处理、管理、保护和共享都不方便