计算机组成原理 第18讲_虚拟存储器

1、计算机组成原理Principles of Computer Organization广义双语教学课程09/skyclass25/青岛理工大学 校级精品课程http:/ 控制器部件设计控制器部件设计实验内容：实验内容： 按照题目要求设计计算机控制器各主要部件的逻辑，决定外部的端口（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。 一、主要元件设计一、主要元件设计 1程序计数器程序计数器 功能要求：8位二进制计数器，同步并行置数，同步复位（清零），三态输出。 提示：注意程序计数器的“加一”功能。 2数据寄存器数据寄存

2、器 功能要求：8位，同步并行置数，双向三态输出。 3地址寄存器地址寄存器 功能要求：8位，同步并行置数，三态输出。（2学时）盛建伦 实验课题实验课题3 控制器部件设计控制器部件设计实验内容：实验内容： 一、主要元件设计一、主要元件设计 4指令寄存器指令寄存器 功能要求：8位，同步并行置数。 5指令译码器指令译码器 功能要求：3-8译码器。 二、仿真二、仿真 设计仿真波形数据，要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。盛建伦 第第 7 章章 存储系统存储系统(3)Chapter 7 Storage SystemVirtual memory is a compute

3、r system technique which gives an application program the impression that it has contiguous working memory, while in fact it may be physically fragmented and may even overflow on to disk storage.Systems that use this technique make programming of large applications easier and use real physical memor

4、y (e.g. RAM) more efficiently than those without virtual memory.盛建伦 虚拟存储器指的是虚拟存储器指的是“主存主存-辅存辅存”层次。它能使该层次具有层次。它能使该层次具有辅存的容量，接近于主存的等效速度和辅存的每位成本。它使得辅存的容量，接近于主存的等效速度和辅存的每位成本。它使得程序员可以程序员可以按比主存大得多的按比主存大得多的虚虚存空间编制程序。存空间编制程序。 对于大的程序，可以先分配少数几个页面，将该程序的一部分装入主存。在运行中间，发生缺页时再按需按需陆续调入调入。只要主存容量大于某个最小值，不论机器配备多大容量的主存

5、，程序可不必作任何修改照样能运行。主存实际容量的大小会影响系统工作的效率和解题速度。 虚拟存储系统的设计目标是：设法获得主存储器的最佳使虚拟存储系统的设计目标是：设法获得主存储器的最佳使用，形成一个高性能、低价格的大容量存储器。用，形成一个高性能、低价格的大容量存储器。虚拟存储器的管理方法有：页式、段式和段页式。虚拟存储器的管理方法有：页式、段式和段页式。73 虚拟存储器虚拟存储器 (Virtual Memory)盛建伦 虚拟存储器的地址映象虚拟存储器的地址映象（或称定位算法或称定位算法）是指每个虚页按是指每个虚页按什么规则什么规则（算法算法）装入装入（定位于定位于）实存，地址变换是指程序按实

6、存，地址变换是指程序按照映象关系装入实存后，在程序运行时虚地址如何变换成对应照映象关系装入实存后，在程序运行时虚地址如何变换成对应的实存地址。的实存地址。 当处理机发出访存地址时，首先进行虚地址到主存实地址虚地址到主存实地址的映象变换，如果出现页故障，再进行虚地址到辅存实地址虚地址到辅存实地址的映象变换。 虚地址到主存实地址的地址映射变换有：直接映射，相联虚地址到主存实地址的地址映射变换有：直接映射，相联映射，组相联映射，段相联映射等。映射，组相联映射，段相联映射等。 虚拟存储器和Cache-主存层次的管理原则基本相同。把程序中常用的页（块）驻留在较高速的存储器中。一旦某页变的不常用了，则把它

7、替换出去。盛建伦 当CPU访问主存不命中时，必须从辅存把包含这个字的1个数据块传送到主存，然后，CPU才能在主存中访问到这个字。若传送该数据块的时间为TB， TA2= TB + TM 则“主存-辅存”层次的平均访问时间TA= HTA1 +（1H）TA2 = HTM +（1H）（TB + TM） = TM +（1H）TB Embedded systems and other special-purpose computer systems which require very fast, very consistent response time do not generally use vir

8、tual memory.盛建伦 Almost all implementations of virtual memory divide the virtual address space of an application program into pages; A page is a block of contiguous virtual memory addresses. 页式虚拟存储器页式虚拟存储器 （ Paged virtual memory ） 页式虚拟存储器把虚存空间分成页页式虚拟存储器把虚存空间分成页，实存空间也分成同样大实存空间也分成同样大小小的页，称为实页页，称为实页和物理页

9、物理页，虚存虚存的页面称为虚页或逻辑页页面称为虚页或逻辑页。 虚存空间划分成虚存空间划分成 个页面，每个页面容量为个页面，每个页面容量为 个存储单元个存储单元。实存只有实存只有 个页面。个页面。 几百个字节CPU对Cache和主存都有直接访问路径辅存必须通过主存才能和CPU交换信息Cache未命中的开销是命中的5100倍，处理机只能等待页故障的开销是页命中的数万倍以上。可通过程序换道减少处理机等待对程序员透明对系统程序员不透明盛建伦 Page replacement algorithms were a hot topic of research and debate in the 1960s

10、and 1970s. That mostly ended with the development of sophisticated LRU approximations and working set algorithms. When a CPU fetches an instruction located at a particular virtual address or, while executing an instruction, fetches data from a particular virtual address or stores data to a particular virtual address, the virtual address must be translated to the corresponding physical addre