计算机组成与体系结构 虚拟存储器

解：
主存地址空间 1000 3000 6000
程序地址空间 0段 1段
2段
(a) 地址映象关系
用基户号号
段基址表 0 ...
3
N-1 段表长度 段表基址
段号
段内地址
虚地址
段表
wenku.baidu.com实地址
0
1 6000
1
1K
3000
1
2K
2 1000
1
1K
段基址 装入位 段长 访问方式
(b) 地址映象方法
段页式存储管理
1）地址映像
逻辑空间
1K 段1 2K 段2 3K 段3
1K 段4 2K 段5
段表
段段 装 起
号
长
入 位
点
1 1K 1 0
2
0
3 3K 1 5K
4
0
5 2K 1 1K
物理空间
段0 1 段 1K 5 3K
段 5K 3 8K-1
段表中，装入位为1表示该段已调入主存，为0则表 示该段不在主存中。因段的长度可大可小，所以段 表需要有长度指示。
虚拟存储器工作的全过程
虚拟存储器两大特点
1）允许用户用比主存空间大的多的空间来访问 主存。
2）每次访存都要进行虚实地址的转换。
虚拟存储器的管理由硬件（MMU）和软件 （操作系统）共同实现。
由于虚存地址空间比主存地址空间大得多， 就必须根据某种规则把按逻辑地址编写的程 序装入到主存储器中去，并将逻辑地址转换 成对应的主存物理地址，程序才能运行，这 一过程称为地址转换。
虚拟存储器中，主存页面的替换，一般用软 件实现
(1) 随机算法（RAND）
算法简单，容易实现； 没有利用历史信息，没有反映程序的局部性， 命中率低。
(2) 先进先出算法 (FIFO) 比较容易实现，利用了历史信息，没有反映 程序的局部性。 最先调入主存的页面，很可能也是经常要使 用的页面。
(3) 近期最少使用算法 (LFU) 既充分利用了历史信息，又反映了程序的局 部性，但需要很长的计数器和时钟，实现起 来困难。
虚页号 0 1 2 3 4 5
实页号 3 1 2 -
解： 4098÷1024 = 4......2， 所以虚页号为4，页内地址 为2。从表中查得实页号为 2，实际地址为
2×1024 + 2 = 2050
6
0
7
-
对应于虚拟地址4098的主存地址是什么？
3）页式管理的评价 优点：①主存利用率高 ②页表相对比较简单 ③地址变换速度快 ④辅存管理容易 缺点：①程序的模块化性能不好 ②页表长，需要占用很大的存 储空间
(4) 最优替换算法 (OPT) 是一种理想化的算法。用来作为评价其它页 面替换算法好坏的标准。
例1： 一个程序共有5个页面组成，程序执行过程中 的页地址流如下：
P1, P2, P1, P5, P4, P1, P3, P4, P2, P4 假设分配给这个程序的主存储器共有3个页面。 给出FIFO、LRU、OPT 三种页面替换算法对 这3页主存的使用情况，包括调入、替换和命 中等。
段地址
6000 4000 8000 9200
段表
+ 主存
8100
虚地址 物理地址
3 ）段式管理的评价 优点：①段的逻辑独立性强，便于共享。 ②便于程序和数据共享 ③程序的动态连接和调度比较容易 ④便于实现信息保护 缺点：① 地址变换时间长 ②主存利用率低 ③ 辅存管理难度大
例如：在一个段映象的虚拟存储器中，假设 程序地址空间有三个段，段的长度分别为1K、 2K和1K，其中第0段映象到内存中以6000为起 始地址的位置，第1段映象到内存中以3000为 起始地址的位置，第2段映象到内存中以1000 为起始地址的位置。画出地址映象关系以及 地址映象方法。
（OPT 算法）
5* 4 4 4 4 4 4
调入 调入 命中 调入 替换 命中 替换 命中 命中 命中 5 次
三种页面替换算法对同一个页地址流的调度过程
设正在处理器上执行的一个进程的页表如下(十进
制，起始页/块号为0)：
虚页号 状态位 访问位 修改位 物理块号
0
1
1
0
4
1
1
1
1
7
2
0
0
0
-
3
1
0
0
页表
物理空间
虚页 实页 装入
0
号号 位
0
1
02 1
1
2
11 1
2
3
2
0
3
4
34 1
4
4
0
2）地址变换 多用户地址
用户号 虚页号
页基址表
Pa
页内偏移
实 实页号 页内偏移 地
址
n Pa +
n是表长，Pa是 页表起始地址
装实修 入位 页号 改位
存放于内存 的页表
例1：在一个采用页式管理的虚拟存储器中， 假设程序的地址空间由4个页面组成，第0个页 面映象到内存的第2个页框架，第1个页面映象 到内存的第6个页框架，第2个页面映象到内存 的第7个页框架，第3个页面映象到外存。画出 地址映象关系以及地址映象方法。
20]对应的主存地址。
在采用分页存储管理系统中，虚拟地址长度 为18位，其中11至17位表示页号，0到10位
表示页内位移。若有一作业的各页依次放入 内存中2，3，7号页中，请问： （1）虚拟存储器分为多少页？每页多大？容 量为多少K？ （2）逻辑地址1500在实页号是多少？对应 的物理地址为多少？
1 1 1 1 1 1 1 1* 2 2
最久没有使用算法
2 2 2* 4 4 4* 4 4 4
（LRU 算法）
5 5* 5* 3 3 3* 3*
调入 调入 命中 调入 替换 命中 替换 命中 替换 命中 4 次
最优替换算法
1 1 1 1 1 1* 3* 3* 3 3 2 2 2 2* 2 2 2 2 2
虚拟存储器
虚拟存储器的基本概念
1） 虚拟存储器
虚拟存储器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。
它指的是主存-外存层次。以透明的方式 给用户提供了一个比实际主存空间大得多的程 序地址空间。
2）地址空间及地址 虚拟地址空间
时间 t 页地址流
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实际 P1 P2 P1 P5 P4 P1 P3 P4 P2 P4 命中次数
先进先出算法
1 1 1 1* 4 4 4* 4* 2 2 2 2 2 2* 1 1 1 1* 4
（FIFO 算法）
5 5 5* 3 3 3 3*
调入 调入 命中 调入 替换 替换 替换 命中 替换 替换 2 次
转换后援缓冲器(TLB)/快表
页面替换算法及其实现方法
页面替换发生时间： 当发生页面失效时，要从磁盘中调入一
页到主存。如果主存所有页面都已经被占用， 必须从主存储器中淘汰掉一个不常使用的页 面，以便腾出主存空间来存放新调入的页面。 评价页面替换算法好坏的标准：
一是命中率要高 二是算法要容易实现
用来编写程序的地址空间，与此相对应的地 址称为虚拟地址或逻辑地址。
主存地址空间 存储、运行程序的空间，其相应的地址称为 主存物理地址或实地址。
辅存地址空间 磁盘存储器的地址空间，是用来存放程序的 空间，相应的地址称为辅存地址或磁盘地址
主存地址 (物理地址)由CPU地址引脚送出， 用于访问主存的地址。
用户按照程序段来编写程序，每个程序 段分成几个固定大小的页。 基本思想----将虚拟存储空间按段式管理 ，而主存空间按页式管理，存在虚空间 的程序按逻辑关系分段，每一段又可分 成固定大小的页。主存则只分成若干相 同大小的页。
如下图所示，一个用户程序由三个独立的程序段组成。0号 程序段的长度为12KB，由于页的长度是4KB，因此，正好分 成3页。1号程序段的长度为10KB，也分成3页，其中最后一 页有2KB是浪费的。2号程序段的长度为5KB，分成2页，其 中后面一页浪费3KB。
虚地址到实地址之间的变换由页表来实现 。 虚地址是编写程序时的逻辑地址， 实地址是
主存可访问的地址 。
页表中存在着逻辑页号和物理页号的对应关 系，并且有标志是否装入主存的有效位！
页表是一张存放在主存中的虚页号和实页号 的对照表，记录着程序的虚页调入主存时被 安排在主存中的位置。
1）地址映像 逻辑空间
每页 4KB
0段0页
0 段(12K)
0段1页
页表长度 页表地址 3
0段2页 0 段页表
3
1段0页
1 段(10K)
2
1段1页
段表
1段2页
1 段页表
2 段(5K)
2段0页 2段1页
用户程序
2 段页表
段页式虚拟存储器的地址映象
主存储器
地址变换方法：
多用户系统中，需要三层表，记录相关信息， 包括段表基址表、段表、页表。 (1) 先查段表，得到该程序段的页表起始地 址和页表长度， (2) 再查页表找到要访问的主存实页号， (3) 最后把实页号p与页内偏移d拼接得到主 存的实地址
虚拟地址由编译程序生成，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。
3）虚拟存储系统与Cache存储系统的关系 相同点：都基于局部性原理
①把程序中最近常用的部分驻留在高速的存 储器中 ②一旦这部分变得不常用了，把它们送回到 低速的存储器中 ③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 ④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
虚拟存储器由硬件和软件（操作系统）自动 实现对存储信息的调度和管理。
5）虚拟存储器的基本信息传送单位
块是主存与辅存之间数据传送的基本单位。 根据对虚拟存储器不同的管理方式，块可以 具体化为页、段和段页三种形式。
分页存储管理
以页为基本单位的虚拟存储器叫页式虚拟存 储器。
程序虚地址分为两个字段：高位字段为虚页 号，低位字段为页内地址。
主存页号 主存地址空间 虚存页号 程序地址空间
0 1
0
1
2
2
7
用基户号号 虚页号
页内地址
虚地址
0 页基址表 ...
4
N-1 页表长度 页表基址
实页号 页内地址 实地址
页表 21 61 71 -0 主存页号 装入位 访问方式
例2：一个虚拟存储器有8个页面，页面大小为
1024字，内存有4个页面框架。页表的内容为
两种存储系统的主要区别：
Cache与虚拟存储器的主要区别
存储系统
Cache体系
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
透明性 对系统和应用程序员 仅对应用程序员
4）虚拟存储器工作原理
在执行程序时，允许将程序的一部分调入主 存，其他部分保留在辅存。即由操作系统的 存储管理软件先将当前要执行的程序段（如 主程序）从辅存调入主存，暂时不执行的程 序段（如子程序）仍保留在辅存，当需要执 行存放在辅存的某个程序段时，由CPU执行 某种程序调度算法将它们调入主存。
2）地址变换 编程使用的虚地址包含两部分：高位是 段号，低位是段内地址。
多用户地址 用户号 段号 段内偏移
段表长 基址
As
+
0
实地址
1
As
+
2
段表基址寄存器
n-1
段号 起点 装 段长 入位
存放 于内 存的 段表
段式虚实地址转换示例
段表起始地址 段表长度
<
越界
段号2 位移量100
段号 段长
0 1000 1 600 2 500 3 200
分段存储管理
由于通常程序都具有一定的模块性。一个复 杂的大程序都可以划分成多个逻辑上相对独 立的模块，模块间的界面和调用关系是可以 清楚定义的。这些模块可以是主程序、过程， 也可以是某类元素的集合。因此，分段管理 是按用户的要求提出来的。
每段的虚拟地址都从0开始，每段都有自己的 段号。每段在主存的起始位置由段表或段寄 存器来表明。
基号D 段号S 虚页号P 页内偏移d
实页号p 页内偏移
As A
As 1 0/1 Ap
1 p 0/1
装入
修改
页表 地址
装入 实页号 修改 标志
转换后援缓冲器(TLB)/快表
由于页表通常在主存中，因而即使逻辑页已 经在主存中，也至少要访问两次物理存储器 才能实现一次访存，这将使虚拟存储器的存 取时间加倍。为了避免对主存访问次数的增 多，可以对页表本身实行二级缓存，把页表 中的最活跃的部分存放在高速存储器中，组 成快表。这个专用于页表缓存的高速存储部 件通常称为转换后援缓冲器(TLB)。 保存在 主存中的完整页表则称为慢表。
2
4
0
0
0
-
5
1
0
1
0
使用字节地址，且页面大小为1024。问虚地址5499
、3221的物理地址？
在某段式存储管理系统中，有一作业的段表如下
：
段号 段长 主存始址 状态
0 200 600 0
1 50 850 0
2 100 1000 0
3 150 -
1
求逻辑地址[0, 65]，[1, 55]，[2, 90]及[3,
对虚拟存储器来说，程序员按虚存储空间编 制程序，在直接寻址方式下由机器指令的地 址码给出地址。这个地址码就是虚地址，可 由虚页号及页内地址组成，如下所示：