计算机组成原理讲义

1、3.6 虚拟存储器重点：掌握虚拟存储器的工作原理，理解虚拟存储器系统与cache-主存系统的异同难点：理解段式、页式、段页式虚拟存储器的工作方法虚拟存储器是指主存-外存层次，它以透明的方式给用户提供一个比实际主存空间大得多的程序地址空间虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。作用：扩大主存容量，提高辅存访问速度，有效管理存储系统3.6.1 虚拟存储器的基本概念虚拟地址由编译程序生成的，是程序的逻辑地址，其地址空间的大小受到辅助存储器容量的限制。 实际的主存储器地址则称为 “物理地址”（ 实地

2、址）。它由CPU引脚送出，是用于访问主存的地址。对应的存储空间称为“物理地址空间”。主存-外存层次和cache-主存层次用的地址变换映射方法和替换策略是相同的，都基于程序局部性原理。它们遵循的原则是：把程序中最近常用的部分驻留在高速的存储器中。一旦这部分变得不常用了，把它们送回到低速的存储器中。这种换入换出是由硬件或操作系统完成的，对用户是透明的。力图使存储系统的性能接近高速存储器，价格接近低速存储器。两种存储系统的主要区别在于：在虚拟存储器中未命中的性能损失要远大于cache系统中未命中的损失。虚拟存储器的用户程序以虚拟地址编址并存放在辅存中，程序运行时CPU以虚地址访问主存，由辅助硬件找出

3、虚地址和物理地址的对应关系，判断这个虚地址指示的存储单元是否已装入主存，如果在主存，CPU就直接执行已在主存的程序；如果不在，要进行辅存向主存的调度，这种调度以块为单位进行，存储管理软件和相应的硬件把访问单位所在的程序块从辅存调入主存，且把程序虚地址变换成实地址，然后由CPU访问主存。虚拟存储器程序执行中各程序块在主存和辅存之间进行自动调度和地址变换，主存-辅存形成一个统一的有机体，对于用户是透明的。主存-外存层次的基本信息传送单位 主存-外存层次的基本信息传送单位可采用几种不同的方案：段、页或段页。 段是按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分，作为独立的逻辑单位。页是主存物理空间中划分出

4、来的等长的固定区域。段页式管理采用分段和分页结合的方法。3.6.2 页式虚拟存储器页式虚拟存储系统中，虚拟空间分成页，称为逻辑页；主存空间也分成同样大小的页，称为物理页。虚存地址分为两个字段：高字段为逻辑页号，低字段为页内行地址。实存地址也分两个字段：高字段为物理页号，低字段为页内行地址。逻辑页号页内行地址物理页号页内行地址地址结构与数对（页号，页内位移）的形成页号=逻辑地址/块尺寸页内位移=逻辑地址%块尺寸如果块的尺寸为2的方幂，则很容易得到页号和页内位移的值例如：假设地址一共有16位，如果块的尺寸为1KB(=210)，则地址的低10位为页内位移，高6位为页号；如果块的大小为256B(=28

5、)，则地址的低8位为页内位移，高8位为页号；0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 015 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 015 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 03000(2,952)3000(11,184)页表中每一个虚存逻辑页号有一个表目，表目内容包含该逻辑页所在的主存页面地址(物理页号)，用它作为实存地址的高字段，与虚存地址的页内行地址字段相拼接，产生完整的实主存地址，据此来访问主存。页式虚拟存储器结构装入位、修改位、替换控制位、其他保

6、护位作业2的虚拟地址空间0518Call 83004K8K12KXXXXX8300Call 5000YYYYY5000内存操作系统作业2的第0页作业2的第1页0123456789主存页面号装入位214150页表页内地址页内地址实页号虚页号 2 1 4 1地址变换方法主存页号 装入位 - 0 5 0 - 0 页表基址虚地址实地址页表页基址寄存器作业2的虚拟地址空间0518Call 83004K8K12KXXXXX8300内存操作系统作业2的第0页作业2的第1页0123456789214150作业2第2页辅存8300(2,108)作业2的第2页7 1 缺页中断练习1：一个32位程序地址空间，页面大

7、小为1KB，主存容量为8MB，问：1)虚页号字段占多少位？页表有多少行？2)页表每一行有多少位（设页表中控制位占3位）？页表的容量有多少字节？解：1) 虚页号字段占32-10=22位，页表共222=4M行2)页表中实页号占23-10=13位，加上控制位3位，所以页表一行占16位(2B)。页表容量=4M*2B=8MB练习2：已知块的尺寸为1KB，根据以下页、块对应表，计算相对地址1023、1024、3000所对应的绝对地址。页号块号00132110233072 1976加速地址转换的方法把表的最活跃部分放在高速存储器组成快表；一些影响速度的关键部位引入硬件支持，如采用按内容查询的相联存储器。使用

8、快表方法：快表由硬件组成，比页表小得多，查表时，由逻辑页号同时去查快表和慢表，当在快表中有此逻辑页号时，就能很快地找到对应的物理页号送入实主存地址寄存器，从而做到虽采用虚拟存储器但访主存速度几乎没有下降。经快表和慢表实现内部地址变换3.6.3 段式虚拟存储器在段式虚拟存储系统中，段是按照程序的逻辑结构划分的，各个段的长度因程序而异。虚拟地址由段号和段内地址组成,为了把虚拟地址变换成实主存地址，需要一个段表。 段号 段起点 装入位 段长 0 1000 1 1K 1 0 2 6120 1 3K 3 9192 1 1K 4 2624 1 2K程序分段空间 （外存段表（在主存中）长度2K长度1K长度3

9、K长度2K长度1K 段4 段3 段2 段1 段0 未用 段 0 段 4 未用 段 2 段 3 未用 实存空间段式虚拟存储器段式虚拟存储器地址变换3.6.4 段页式虚拟存储器程序按逻辑单位分段以后，再把每段分成固定大小的页程序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兼备页式和段式的优点。缺点是在映象过程中需要多次查表。在段页式虚拟存储系统中，每道程序是通过一个段表和一组页表来进行定位的。段表中的每个表目对应一个段，每个表目有一个指向该段的页表起始地址及该段的控制保护信息。页表指明该段各页在主存中的位置以及是否已装入、已修改等状态信息。如果有多个用户在机器上运行，多道程序的每一

10、道需要一个基号，由它指明该道程序的段表起始地址。虚拟地址格式如下：基号段号页号页内地址段页式虚拟存储器地址变换段式、页式、段页式虚拟存储器的特点段是按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分，作为独立的逻辑单位。优点是段的逻辑独立性使它易于编译、管理、修改和保护,也便于多道程序共享；某些类型的段具有动态可变长度,允许自由调度以便有效利用主存空间。缺点是因为段的长度各不相同，起点和终点不定，给主存空间分配带来麻烦，而且容易在段间留下许多空余的零碎存储空间，造成浪费。页是主存物理空间中划分出来的等长的固定区域。优点是页面的起点和终点地址是固定的，方便造页表，新页调入主存也很容易掌握，比段式空间浪费

11、小。缺点是处理、保护和共享都不及段式来得方便。 段页式管理采用分段和分页结合的方法。程序按模块分段，段内再分页，进入主存以页为基本信息传送单位，用段表和页表进行两级定位管理。3.6.5 替换算法当CPU要用到的数据或指令不在主存时，产生页面失效(缺页)，此时要求从外存调进包含有这条指令或数据的页面。假如主存页面已全部被占满，则需要替换主存的某一页。注意：在淘汰页面时，还需要检查页面的修改位，如果发生修改，需要将该页内容从主存写入到外存。虚拟存储器中的页面替换策略和cache中的行替换策略有很多相似之处，但有三点显著不同：(1)缺页至少要涉及一次磁盘存取，读取所缺的页，缺页使系统蒙受的损失要比c

12、ache未命中大得多。(2)页面替换是由操作系统软件实现的。(3)页面替换的选择余地很大，属于一个进程的页面都可替换。虚拟存储器的替换策略近期最少使用(LRU)算法最不经常使用(LFU)算法先进先出(FIFO)算法先进先出页面淘汰算法(FIFO)当要进行页面淘汰时，总是把最早进入内存的页面作为淘汰的对象假设页面走向为 1、2、3、4、1、2、5、1、2、3、4、5 内存块为3块内存块缺页计数页面走向1、2、3、4、1、2、5、1、2、3、4、5页面走向112123213143242143132142452155211521213523243544355缺页中断率：f=9/12=75%最近最久未用页面淘汰算法(Least Recently Used, LRU)基本思想：当要淘汰某页时，选择离当时时间最近的一段时间内最久没有使用过的页面先淘汰。 内存块缺页计数页面走向1、2、3、4、1、2、5、1、2、3、4、5页面走向1121232131432421431321424