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1、Lecture7-2存储系统虚拟存储器存储保护计算机科学与工程学院教学目标：掌握主存-辅存层次与cache-主存层次的区别理解虚拟存储器的三种存储管理方式和虚地址转换为实地址的过程了解相联存储器的基本概念了解存储管理2一.虚拟存储器概述虚拟存储器指的是“主存—辅存”层次,它能使计算机具有辅存的容量,接近于主存的速度和辅存的每位成本.使得程序员可以按比主存大得多的空间来编制程序,即按虚存空间编址.Cache与虚拟存储器的主要区别存储系统Cache虚拟存储器要达到的目标提高(主存)速度扩大(主存)容量实现方法全部硬件软件为主,硬件为辅两级存储器速度比3倍~10倍105倍页(块)大
2、小1字~16字1KB~16KB等效存储容量主存储器虚拟存储器透明性对系统和应用程序员仅对应用程序员不命中时的处理方法等待主存储器任务切换3一.虚拟存储器概述主存—辅存层次信息传送单位和存储管理主存—辅存层次的信息传送单位可采用几种不同的方案：段、页、段页。段是利用程序的模块化性质,按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分.段作为独立的逻辑单位可以被其他程序段调用,这样就形成段间连接,产生规模较大的程序.一般用段表来指明各段在主存中的位置,每段都有它的名称、段起点、段长等.段表本身也是主存储器的一个可再定位段.4二.段式虚拟存储器虚拟存储器的管理按程序段为单位进行管理。程序空
3、间大小段11K段22K段33K段41K段52K段表段1段5主存空间地址01K3K5K8K-1段3设主存空间8K5二.段式虚拟存储器把主存按段分配的存储管理方式称为段式管理.段式管理系统的优点是段的分界与程序的自然分界相对应;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.其缺点是容易在段间留下许多空余的零碎存储空间不好利用,造成浪费.6二.段式虚拟存储器段式虚实地址转换段表长度段表起始地址位移量100段号2<越界920020038000500240006001600010000基址段长段号+8100主存段表虚地址物理地址7三.页式虚拟存储器页式管理系统页式管
4、理系统的信息传送单位是定长的页,主存的物理空间也被划分为等长的固定区域,称为页面.新页调入主存也容易掌握,只要有空白页面就可.可能造成浪费的是程序最后一页的零头,是不能利用的页内空间,它比段式管理系统的空间浪费要小得多.页式管理系统的缺点正好和段式管理系统相反,由于页不是逻辑上独立的实体,所以处理,保护和共享都不及段式来得方便.8三.页式虚拟存储器某个程序有5页(逻辑页号0~4),各页分别装入主存不连续的页面位置,用页表记录逻辑页号及其所对应的实主存页号,页表是由操作系统建立的.图中页号0,1,3已分配实主存空间,所以装入位为“1”.9三.页式虚拟存储器在页式虚拟存储系统中,
5、把虚拟空间分成页,主存空间也分成同样大小的页,称为实页或物理页,而把前者称为虚页或逻辑页.假设虚页号为0,1,2,…,m,实页号为0,1,2,…,l,显然有m>l.由于页的大小都取2的整数幂个字,所以,页的起点都落在低位字段为零的地址上.可把虚拟地址分为两个字段,高位字段为虚页号,低位字段为页内字地址.虚拟地址到主存实地址的变换是由页表来实现的.在页表中,对应每一个虚存页号有一个表目,表目内容至少要包含该虚页所在的主存页面地址(页面号),用它作为实(主)存地址的高字段;与虚拟地址的字地址字段相拼接,就产生完整的实主存地址,据此访问主存.10三.页式虚拟存储器图7.14页式虚拟
6、存储器结构11三.页式虚拟存储器通常,在页表的表项中还包括装入位(有效位),修改位,替换控制位和其他保护位等组成的控制字.如装入位为“1”,表示该虚页已从辅存调入主存;如装入位为“0”,表示对应的虚页尚未调入主存,如访问该页就要产生页面失效中断,启动I/O系统,根据外页表项目中查得的辅存地址,由磁盘等辅存中读出新的页到主存中来.修改位指出主存页面中的内容是否被修改过,替换时是否要写回辅存.替换控制位指出需替换的页等.12三.页式虚拟存储器把页表的最活动部分存放在快速存储器中组成快表,这是减小时间开销的一种方法.此外,在一些影响工作速度的关键部分引入了硬件支持.例如,采用按内容
7、查找的相联存储器并行查找,也是可供选择的技术途经.快表由硬件组成,通常称为转换旁路缓冲器(translationlookasidebuffer,简称TLB),它比页表小得多,一般在16行~128行之间,快表只是慢表(指主存中的页表)的小小的副本.13三.页式虚拟存储器图7.15使用快表与慢表实现虚实地址转换14三.页式虚拟存储器查表时,由虚页号同时去查快表与慢表,当在快表中有此虚页号时,就能很快地找到对应的实页号送入实主存地址寄存器,并使慢表的查找作废,从而就能做到虽采用虚拟存储器但访主存速度几乎没有下
