本次笔记内容：
P43 计算机组成原理（43）
P44 计算机组成原理（44）

我的计组笔记汇总：计算机组原理成笔记

视频地址：计算机组成原理 清华大学刘卫东 全58讲 国家精品课程 1080P 更完

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本节课幻灯片：组成原理34 vm.pptx

内容提要

• 虚拟存储器的目的：给所有程序提供相同的虚拟地址空间，方便操作系统，链接器装载器设计；给程序员提供比实际主存大得多的地址空间
• 虚拟存储器的管理：段式管理、页式管理、段页式管理
• 段页式管理的地址映射
• x86的虚拟存储管理

《Orange’s 自己动手写操作系统》第三章

存储管理

单道程序：

• 单一用户程序使用计算机资源
• 操作系统进行简单管理

如上，

多道程序：

• 操作系统及若干用户程序同时运行
• 程序员编程使用的空间与程序运行空间相互独立
• 操作系统对存储进行管理
  • 地址空间转换和映射
  • 内存共享
  • 内存保护

1. 程序员编程时需要知道存储空间的使用情况；
2. 无法实现存储空间的复用。

存储容量需求

应用需求：

• 海量数据处理
  • 天气预报、地震预测、石油勘探…
• 多媒体信息处理
  • 语音、图形、图象…

软件需求：

• Nathan软件第一定律：软件是一种可以膨胀到充满整个容器的气体。

技术需求：

• 多进程、多道程序

给程序员一个比实际内存大得多的编址空间。

提高存储器容量

两个思路。

降低主存储器成本，在同样成本下，可以获得更大的主存容量。

• 主存的价格到今天也是依然比较昂贵
• 程序对主存的“胃口”的增加和主存价格的降低速度几乎一样的快。

采用虚拟存储器。

• 只在确实需要的时候才把程序和数据装入到主存中
  • 交换的粒度
  • 地址转换
  • 共享及保护

虚拟存储器

• 提供一种容量非常大的存储器
  • 多个任务所需存储器的总和大于实际存储器空间
  • 单个程序的地址空间超过了实际存储器
• 使得可利用的物理存储器得到更好地利用
• 简化存储器的管理
• 地址空间：
  • 虚拟地址：程序员编程使用的地址
  • 虚拟地址空间：虚拟地址的集合
  • 存储器地址：物理存储器的地址，也称物理地址（Physical Address）或实地址（Real Address）
  • 逻辑地址：程序员使用的地址

独立的逻辑地址空间

通过页表将虚地址转换为实地址。

实现内存的保护

页表中存放有访问权限：通过硬件来保证权限（操作系统的“陷阱”操作）。

虚拟存储器的目的

• 容量：获得运行比物理存储器更大空间程序的能力
• 存储管理：内存的分配以及虚实地址转换
• 保护：操作系统可以对虚拟存储空间进行特定的保护. . .
• 灵活：程序的某部分可以装入主存的任意位置
• 提高存储效率：只在主存储器中保留最重要的部分
• 提高并行度：在进行段页替换的同时可以执行其它进程
• 可扩展：为对象提供了扩展空间的能力

虚存与Cache的比较

虚存	Cache
“主存——辅存层次”，主要目的是解决存储容量的问题。	Cache主要目的是解决存储速度问题，使存储器的访问速度不太影响CPU的运行速度。
单位时间内数据交换次数较少，但每次交换的数据量大，达几十至几千字节。	单位时间内数据交换的次数较多，每次交换的数据量较小，只有几个到几十个字节。
克服存储容量的不足	解决主存储器与CPU性能的差距
获得对主存储器管理的便利	获得最小粒度的访问
由操作系统管理	由硬件实现

虚拟存储器管理

• 逻辑地址与物理地址的对应关系：逻辑地址与物理地址如何转换
• 主存和辅助存储器数据交换
  • 进行数据管理和调度
  • 提高命中率
  • 保护和共享

分为：

• 段式存储管理
• 页式存储管理

段式存储管理

段（Segment）：

• 程序模块化设计的结果
• 过程、函数、数组、…
• 逻辑上相对独立
• 共享和保护的最小单元

段式存储管理：

• 以段作为存储管理的对象
• 容易实现共享、保护
• 容易产生碎片

段式存储管理的实现

设置段表进行管理：

• 段表基地址
• 段起始地址
• 段长
• 装入位
• 保护、共享等标志

段式管理地址转换

• 段的分界与程序和数据的自然分界相对应
• 易于编译、管理、修改和保护，便于多道程序共享
• 段长动态可变
• 段起点、终点不定
• 空间分配困难，容易产生碎片

用户来决定、上层应用程序来决定，不太靠谱，因此引出页式存储管理。

页式存储管理

• 将主存和虚存划分为固定大小的页
• 以页为单位进行管理和数据交换
• 虚地址=虚页号+页内地址
• 实地址=实页号+页内地址
• 通过页表进行管理
  • 页表基地址寄存器
  • 实页号
  • 控制位

页表内容和页式管理

在主存中，有设置页表，完成虚地址与实地址之间的转换。

页表大小跟谁相关？跟虚页号相关直接。

页表大小

页表大小与虚页数直接相关，但是：

• 虽然理论上每个进程的逻辑空间很大，但其实大部分应该是不活跃的
• 实际调入到内存的内容不可能超过物理存储空间

如何减少页表本身所占的空间？

• 而且还要实现简单
  • 页表访问频繁

两种途径：

• 层次页表（hierarchical page table）
• 反转页表（inverted page table）

页式虚拟存储器的访问过程

1. 得到程序给出的虚地址；
2. 由虚地址得到虚页号；
3. 访问页表，得到对应的实页号；
4. 若该页已在内存中，则根据实页号得到实地址，访问内存；
5. 否则，启动输入输出系统，读出对应页装入主存，再进行访问。

增加由硬件实现的快表，提高访问速度。

给页表专门做一个 ‘Cache’ ，叫做快表。

页表内容和页式管理

转换旁路缓冲（TLB）

访问频繁:速度是第一位的

TLB 缺失将造成：

• 流水线停止
• 通知操作系统
• 读页表
• 将表项写入 TLB
• 返回到用户程序
• 重新访问

因此，应尽量减少缺失：

• 多路组相连
• 再尽量提高TLB的容量

和普通 cache一样， TLB 可以组织成全相连，组相连或直接映射方式。

TLBs 通常为容量较小，甚至在高端计算机上也一般不超过128 - 256 个表项。

这样，可以使用全相连映射方式。在大多数中档计算机上，一般采用N路组相连映射方式。

页面大小的选择

• 减少内部碎片
• 缩小页面大小可以减少内部碎片
• 但是：需要更大的页表
• 趋势：增大页面大小
  • RAM价格下降，内存储器容量增大
  • 内存和外存性能差距增大
  • 程序员需要更大的地址空间
• 目前：页面大小为4K左右? （1MB, 2MB, 4MB, 1GB)

页面替换算法

最近最少使用（LRU）：将页帧按照最近最多使用到最近最少使用进行排序，再次访问一个页帧时，将该页帧移到表头，替换时将表尾的页帧换出。（由程序局部性，使用 LRU ；并且，该算法是在软件层面的实现）

一点改进：替换出其中一个“干净”的页帧。

地址转换

页失效处理

段页式虚拟存储管理

是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的综合。它先把程序按逻辑单位分为段，再把每段分成固定大小的页。操作系统对主存的调入调出是按页面进行的，但它又可以按段实现共享和保护，可以兼取页式和段式系统的优点。其缺点是需要在地址映射过程中多次查表。其地址映射通过一个段表和一组页表来进行。

x86的虚存管理

不分段也不分页模式：在这种模式下，虚拟存储的地址空间和物理存储空间大小相同，可以用在复杂度较低但对性能有较高要求的场合。

页式管理模式：这种模式将主存分成固定长度的页，通过页进行存储保护和管理。

段式管理模式：段式管理模式按程序本身的逻辑段来划分主存空间，与页式管理相比，段的长度可变。

段页式管理模式：为了兼容旧的模式，在x86中段式内存管理和页式内存管理都是支持的。程序地址首先经过段式内存转换，再通过页式内存转换，最终转换为物理地址。

32位x86虚实地址的转换

虚地址（逻辑地址）：程序员给出的虚拟地址，格式为段号+段内偏移（16位+32位），每段大小不超过4GB，一共不超过2的14次方段。（段号中有两位用来表示段优先级）

实地址：32位的实际内存地址。

段号和段表的格式

段地址转换

两级页表

分页机制

x86逻辑地址转换

虚拟存储器

• 虚拟存储器：提高程序员可以使用的地址空间大小。由操作系统进行管理。
• 管理模式：段式、页式、段页式。
• 虚实地址转换。
• 使用快表提高地址转换的速度。