12_虚拟存储器

1.操作系统的出现

2.存取器管理

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。

2.1 如何将更多任务装进主存

• 增大主存容量
• 使用交换（exchange）技术
  • 当主存中没有处于就绪的任务时，操作系统调入其他任务来执行
  • 分区（partitioning）和分页（paging）
• 虚拟存储器
  • 请求分页：每次访问仅将当前需要的页面调入主存，而其他不活跃的页面放在外存磁盘
  • 虚拟地址

2.2 分区方式

• 主存划分
  • 系统区：固定的地址范围内，存放操作系统
  • 用户区：存放所有用户程序

2.2.1 简单固定分区

• 基本思想：
  • 用户区划分成长度不等的固定长的分区
  • 当一个任务调入主存时，分配一个可用的、 能容纳它的、最小的分区
• 优点：简单
• 缺点：浪费空间，产生“内碎片”
• 

2.2.2 可变长分区

• 基本思想
  • 用户区按每个任务所需要的内存大小进行分配
• 优点：提高了主存的利用率
• 缺点：时间越长，存储器中的碎片就会越多

2.3 分页方式

• 基本思想
  • 把主存分成固定长且比较小的存储块，称为页框（page frame），每个任务也被划分成固定长的程序块，称为页（page）
  • 将页装入页框中，且无需采用连续的页框来存放一个任务中所有的页
• 逻辑地址/虚拟地址：指令中的地址
• 物理地址：实际的主存地址
• 页表（page table）:建立页和页框的映射关系，每个进程都有一个页表，实现虚拟地址和物理地址的转换
  

3.虚拟存储器

• 基本思想

  • 请求分页：仅将当前需要的的页面从磁盘调入主存
  • 通过硬件将逻辑地址转换为物理地址
  • 未命中时在主存和硬盘之间交换信息（类似cache）

• 优点

  • 在不扩大物理内存的前提下，可以载入更多的任务
  • 编写程序时不需要考虑可用物理内存的状态
    • 程序员认为可以独享一个连续的、很大的内存
  • 可以在大于物理内存的逻辑地址空间中编程

• 设计要素

  • 页大小
  • 映射算法
    • Cache比主存块10倍，主存比硬盘块100000多倍，缺页代价非常大，因此主存页框和虚拟页之间采用全关联映射
  • 写策略
    • 写回法，减少访问硬盘次数
  • 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

3.1 流程

3.2 分页式

• 主存储器和虚拟地址空间都被划分为大小相等的页面
  • 虚拟页（virtual page，VP）/ 逻辑页（logical page）：虚拟地址空间中的页面
  • 物理页（physical page，PP）/ 页框（page frame）：主存空间中的页面
• 页表
  • 页表中包含了所有虚拟页的信息，包括虚拟页的存放位置、装入位（valid）、修改位（dirty）、存取权限位等等
  • 保存在主存中
  • 虚拟地址：虚拟页号+页内偏移量

3.2.1 页表

• 根据页表中记录的物理页存放位置，可以将虚拟地址转化为物理地址
  • 高位直接替换
• 页表大小由虚拟内存地址空间大小决定
• 装入位/有效位
  • 1：对应页在主存，是缓存页，存放位置指向主存页框号（物理页号）
  • 0：未调入主存，若存放位置为null则是为分配页；否则是为缓存页，给出虚拟页在磁盘上的起始地址

虚拟页号+页内偏移量->物理页号+页内偏移量

3.2.2 快表（Translation Lookaside Buffer， TLB）

页表的使用增加了主存的访问次数，为了减少访存次数，把页表中最活跃的几个页表项复制到高速缓存中

• 后备转换缓冲器（简称“快表”）：将页表项放入高速缓存中
  • 映射：全关联映射，组关联映射
  • 替换：随机替换
  • 主存中的页表相应地称之为“慢表”
• TLB标记
  • 该表项对应页表中哪个虚拟页的表项
  • 全关联：虚拟页号
  • 组关联：虚拟页号的高位（低位用于选择TLB组的组号）

3.2.3 CPU访存过程

3.2.4 TLB、页表、cache的缺失组合

3.2.5 缓存关系

• TLB<-页表
• cache<-主存
• 主存<-硬盘

3.3 分段式

将程序和数据分成不同长度的段，将所需的段加载到主存中

• 虚拟地址：段号 + 段内偏移量
• 与分页式虚拟存储器相比
  • 分页式虚拟存储器
    • 优点：实现简单、开销少
    • 缺点：一个数据或一条指令可能会分跨在两个页面
  • 分段式虚拟存储器
    • 优点：段的分界与程序的自然分界相对应，易于编译、管理、修改和保护
    • 缺点：段的长度不固定

3.4 段页式

将程序和数据分段，段内再进行分页，每个分段都有一个页表

• 虚拟地址：段号 + 页号 + 页内偏移量
• 优点：程序按段实现共享与保护
• 缺点：需要多次查表