第五章虚拟存储器

关键点： 关键点： 地址空间 (编程) 逻辑 交换 o.s 存贮空间 (运行) 物理
虚空间(虚存)
实存、实空间
程序的访问地址称为虚地址而程序可访问的虚 地址范围叫做程序的虚地址空间。 可使用的实地址范围叫实地址空间(即主存) 在多道程序运行环境下，o.s把实际内存扩充 成若干个虚存系统为每个用户建立一个虚拟存 贮器，各用户可独立在虚存上编程运行。
(ii) 先进先出算法(FIFO) 例：设页面请求次序 7.0.1.2.0.3.0.4.2.3.0.3.2.1.2.存贮块为3时 (驻留集为3)
查页表－物理地址(访问二次主存)
例：设访问主存时间为200ns,访问联想存贮器为40ns， 命中率为90％，则平均存贮时间为多少？ 解： 方法 ： 方法1： 查页表两次访存：平均为200＋200＝400ns 方法2： 方法 ： 查块表(200+40)×90％＋(200+200)×10％＝256ns
(d) 快表 联想存贮器 快表(联想存贮器 联想存贮器) 访问主存＝访页表＋ 访问主存＝访页表＋访主存 (若页表全部放在主存，则要取一个数据 (一条指令)至少要访问二次主存，第一次是访 ( ) 问页表，确定所取数据(或指令)的物理地址， 第二次是根据该地址取数(或指令)) 将作业中最常用的页块号置入高速缓存， 提高查表速度(在地址变换机构中加入一个高速、 不容易的联想存储器)
(c) 置换算法 ––– 确定淘汰哪一页的策略 系统抖动 ––– 内外存交换频繁使效率下降(导 致系统效率急剧下降的主、辅 存之间的频繁转换现象) 驻留集 ––– 驻留在内存中页面的集合。
F (不成功的访问次数) 失败 缺页中断率＝ ＝ S (成功的访问次数)＋F 成功＋失败
启动要处理的指令
指 令 执 行 和 缺 页 中 断 处 理 硬件 软件
1、先进先出算法（FIFO）
FIFO算法维护一个先进先出队列，队列长度为分 配给这个进程的页面数M。开始时队列是空的，装入 进程的第一页即可启动运行，当访问到某个不在内存 的页面时，把它从辅存调入，加入FIFO队列的尾部。 优点：简单 缺点：是在有的情况下，给进程的页面数M增加时，同 样的页面序列P，缺页率反而增加——FIFO异常 注意：当某个页面刚被淘汰又要调入时容易产生这种 现象。
2、 局部性原理
只有不要求程序全部装入内存就能 运行，才能运行超过主存容量的大程序， 才能支持更多程序并发执行。这就是实 现虚拟存储器的局部性原理基础。 分析程序行为将发现，指令一般顺序执 行，或转向到某个分支，某个函数执行， 或者执行一个循环，访问一个数组，栈 操作，体现出在一小段时间内访问内存 的局部性。
(d) 制约： 制约： (i) 主存、辅存必须有一定量 (ii) 指令的地址或长度一定(受制约) (iii) 要有地址的交换机构
(e) 虚存管理三大策略：调入策略(把哪部分装 虚存管理三大策略： 把哪部分装
放在主存什么地方) 入主存) 放在主存什么地方 入主存 ， 放置策略 (放在主存什么地方 ， 淘
1、 分级存储体系
计算机系统一般采用存储程序的方式，CPU 执行的 指令必须放在内存，指令执行过程中要访问的数据也 必须在内存。 为了允许用户的作业地址空间大于实地址空间，尤其 是允许许多用户共享实存储资源去有效地并发运行， 则通常用两级存储方案实现。 第一级是主存，进程在主存中运行，在主存中的数据 是运行进程要访问的。第二级是辅助存储器：由像磁 盘、光盘那样的大容量存储介质组成，它们有能力装 入有限主存不能同时装入的程序和数据。
页目录号 页目录
虚拟地址 页表号
物理地址空间 页内地址 页表 页表号
页目录号 页目录地址
(2) 分页存贮管理： 分页存贮管理： (a) 实现原理： 实现原理： 地址空间分成大小相同的部分 ––– 页 存贮空间分成大小相同的部分 ––– 块(页架) 页大小＝ 页大小＝块大小
页表结构：
存在位表示该页是否在主存，为“0”表示该页不 在主存；为“1”表示该页在主存； 访问位表示该页面最近是否被CPU访问过，为“0” 表示该页面未被访问过，为“1”表示该页面最近被访问 过； 修改位表示该页内容是否被修改过，为“0”表示该 页面中的数据未被修改过，为“1”表示该页面中的数据 已被修改过。
移动或调 出分段
调整S段段表及主 存分配表Baidu Nhomakorabea
重新启动指令
请求分段虚拟存储管理实 现分段的共享和保护
段共享表 段的共享 段的保护
5.2.2缺页中断处理过程
通常情况下，每条指令均由硬件自动完成。 CPU 按照程序计数器的内容逐条地执行内存 中的程序指令，直到一个程序终了。 一旦某条指令执行时访问到一个不在内存的 数据地址，比如读写数据，取指令，执行转 移等，便涉及到一个不在内存的页，中断机 构将产生一次缺页中断。 中断硬件在做了保留现场等工作后，将启动 操作系统缺页中断处理程序。
存放页表部分内容的快速存贮器称为 联想存贮器，联想存贮器中存放的部分页表 称为“ 快表”。联想存贮器一般由8～16个 单元组成，它们用来存放正在运行进程的当 前最常用的页号和相应的块号，并具有并行 查寻能力。
这个联想存贮器的查表速度可以做到比一般 存储器的速度快一个数量级。 有 效 地 址 查联想表－物理地址(访问一次主存) 同 时 进 行
虚拟存储器
实例：分页式虚拟存储器技术是使用最为广泛的一种。
5.2.1请页式存储管理
1、对页式存储技术的改进
请页式存储管理继承了分页管理的全部技术， 又增加了一些新内容：
（1）为每个作业分配内存时，先只将当前需要的一部 分页面装入内存即启动程序运行； （2）设置缺页中断机制，在作业运行中，当访问到不 在内存的页面时，便发生缺页中断，把控制转向操作系 统； （3）操作系统增设缺页中断处理程序，操作系统判明 中断原因是缺页，则到辅存上找到该页，并把它调入内 存。 （4）扩充了页表。请页式存储管理所用的页表，其中 包括三个标识位：存在位，访问位和修改位。
给出虚地址 形成页号 该页在主存 准备执行下条指令
Y
执行完该指令
N
缺页中断 有空闲块
N
选一页淘汰 调整存贮分块表和页表
Y
从外存读入需要的页
N
调整存贮分块表和页表 重新启动被中断的指令
要重新写入
Y
该页写入外存
由硬件和软件相配合实现的，虚线上面部 分是由硬件实现的，而下部是由软件实现的。 在多进程环境下，一个进程在等待传输页 面时，它处于阻塞态，此时系统可以调度另一 进程运行，当传输完成时，唤醒原先被阻塞的 那个进程，等到下次再调度到它时，才能恢复 到断点，继续运行下去。
5.2.3工作集概念
工作集模型————每个进程在任何一个时间段△t， 都存在一个页面子集H（t）,其中包含了进程当前需 要频繁访问的一组页面。 根据局部性原理，这个子集不会很大。但是如果这个 子集不全部在内存，将会发生频繁的调页。这个子集 就称为该进程在时刻t的工作集。 页式虚拟存储管理系统分给进程的页框数M是变动的， 保持进程的工作集在内存中，实际系统中，它恰好能 够容纳当时的工作集。
例：设虚地址为(357101)8 每一块为128字节 128＝27 (357101)8＝(011, 101, 111, 00 1, 000, 001)2 1 偏移为(101)8, 6 7 4 1 0 1
页号为(1674)8
块号由页表指定，偏移不变
快表（associative storage）
快表也被称为联想存储器，它是 一种高速存储体，每一项中有两个关键 部分：关键字、值。
局部性意味着在一段时间内只要一部分 程序及访问的数据在内存就行了。当需 要访问新地址空间时再从辅存把包含新 局部的部分调入，就可以陆续把一个大 程序运行完。
5.2虚拟存储器
计算机系统中主存的大小总是有限的。为了给其地址 空间超过主存容量的作业的运行提供方便，由操作系统 把两级存储器（主存和辅存）统一管理，实现主存的扩 充，使得大于主存容量的作业地址空间以及作业地址空 间的组合，都能获得一个假想的虚拟的主存使用，称之 为虚拟存储器。 虚拟存储器的容量由计算机的地址结构决定，其最大容 量受计算机的主存，辅存容量之和的限制。 虚拟存储器实际上是给用户提供了一个大的地址空间， 或者说是给程序员提供了一个远远大于主存容量的编址 范围。
返回
局部性原理的具体体现
– 程序在执行时，大部分是顺序执行的指令，少部 分是转移和过程调用指令。 – 过程调用的嵌套深度一般不超过5，因此执行的 范围不超过这组嵌套的过程。 – 程序中存在相当多的循环结构，它们由少量指令 组成，而被多次执行。 – 程序中存在相当多对一定数据结构的操作，如数 组操作，往往局限在较小范围内。
汰策略(主存不足时，把哪部分淘汰出主存。) 主存不足时， 主存不足时 把哪部分淘汰出主存。
(f)虚存容量由计算机的地址结构决定 ， 其最 虚存容量由计算机的地址结构决定， 虚存容量由计算机的地址结构决定
大容量受计算机的主存、辅存容量之和限制。 大容量受计算机的主存、辅存容量之和限制。
5.1虚拟存储器概念
6.6.1 局部性原理
局部性原理(principle of locality)：指程序在执 行过程中的一个较短时期，所执行的指令地 址和指令的操作数地址，分别局限于一定区 域。具体表现为：
– 时间局部性：一条指令的一次执行和下次执行， 一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较 短时期内； – 空间局部性：当前指令和邻近的几条指令，当前 访问的数据和邻近的数据都集中在一个较小区域 内。
请 求 分 段 虚 存 管 理 的 地 址 转 换
是 S段在内存 否 发越界中断 B<S段长度 否 发保护中断 是 符合存取权限 是
否 发缺段中断
形成绝对地址 继续执行指令 硬件 操作系统
非法存取 否 S段可扩充 是 S段末端相邻空 闲区长度满足 要求 是 否 地址错
移动或调 出分段
否
主存中有满足S段 长度的连续空闲区 是 装入S段
请求分页虚存地址转换过程
逻辑地址 无登记 查快表 在辅存 查页表 发缺页中断 登记入快表 在主存 形成绝对地址 继续执行指令 硬件 有登记
保护现场 无 主存有空闲块 有 装入所需页面 调整页表和 主存分配表 恢复现场 重新执行 被中断指令
操作系统
选择调出页面 未修改 该页是否修改 已修改 把该页写回 辅存相应位置
主讲：刘 拥 民
Lym37212004@163.com
五、虚拟存储器
两级存储统一管理的虚拟存储器 思想，可以支持用户编写超出主存容 量的更大程序。 使计算机给用户提供的虚拟地址 空间，远远大于实际配置的主存容量。
虚拟存贮管理 (Virtual storage)
(1) 虚拟存贮器的概念 (a) 在实存管理技术中(除覆盖、交换 ，要求整 除覆盖、 除覆盖 交换) 个作业必须装入主存 作业尺寸>主存大小⇒作业无法运行 “ 扩充”主存 ––– 虚拟存贮技术 (b) 虚拟存贮器： 虚拟存贮器：
分级存储体系结构
在CPU和内存之间，还有Cache，也是能够存取和运 行CPU指令的地方,其存取速度比内存高。辅存只能 做“仓库”用，而不能像内存那样作为CPU直接识 别的工作场所。（三级结构） 数据和指令只能以块为单位被存放其上，而存放的指 令和数据也只能以块为单位被再读至内存后才能被 CPU识别。 辅存的存取速度也没有内存快。但是辅存容量大，可 以长期存储。主存与辅存统一组成计算机存储体系。
(c) 虚空间独立于实空间 虚空间>>实空间(也可以虚空间<实空间) 系统地址空间 ––– 虚存空间 地址结构cpu 20位有效地址长度 ––– 0～220(寻址范围)， 实存64k<虚存220作业可以大于内存，部分作业 调入运行，其余放入磁盘。 利用辅存存放放不进内存的作业部分。 主存＋辅存≠虚拟存(仅与地址结构有关)
5.3页面淘汰算法
淘汰——当要访问的页面在外存而不在内存时，需
要将其调入内存。如果此时内存中无空闲页面，则需 将内存中某一页面淘汰掉。 用来选择被淘汰页面的算法称作淘汰算法。衡量算法 优劣的测度是页面淘汰率： f = F / P 其中P为进程的页面序列，|P|为总页面数，F为在|P| 次访问中缺页次数。显然，f依赖于P以及分给该进程 的页面数M。f越小，算法的性能越好。