计算机组成原理第4章第五讲

地址映射通过一个段表和一组页表进行； 优点，可以兼取页式和段式系统的优点； 缺点，需要在地址映射过程中多次查表；
段页式虚存的地址变换过程
五、虚存的替换算法
当从辅存调页至主存而主存已满时，也需要进
行主存页面的替换。虚存的替换算法与Cache 类似，有FIFO算法、LRU算法等。
虚拟存储器的替换算法与cache的替换算法不
外页表
用于虚地址与辅存地址之间的变换；
当主存缺页时，调页操作首先要定位辅存，
而外页表的结构与辅存的寻址机制密切相关。 例如对磁盘而言，辅存地址包括磁盘机号、 磁头号、磁道号和扇区号等。
四、段页式虚拟存储器
段式和页式虚拟存储器的结合；
实存被等分成页，每个程序则先按逻辑结
构分段，每段再按照实存的页大小分页， 程序按页进行调入和调出操作，但可按段 进行编程、保护和共享；
三、硬磁盘存储器
1. 硬磁盘存储器的类型
(1) 固定磁头和移动磁头
(2) 可换盘和固定盘 2. 硬磁盘存储器结构
主 机 磁 盘 控 制 器 磁 盘 驱 动 器 盘 片
(1) 磁盘驱动器
主轴
磁盘
定位驱动
主轴
数据控制
磁头
磁 盘 组
读写臂 传动机构 由磁盘控制 器送来的目 标磁道信号 位置检测 放 模拟控制 定位驱动 大 闭环自动控制系统
音圈 电机
测 速 输
出
(2) 磁盘控制器
• 接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令 • 实现主机和驱动器之间的数据格式转换 • 控制磁盘驱动器读写 磁盘控制器 是 对主机 通过总线 主机与磁盘驱动器之间的 接口 对硬盘（设备）
通过随时记录各字块使用情况，确定哪个字块是最 近最少用到的，算法复杂，命中率高
3. 随机法
用随机数产生器产生随机被替换的块，简单
虚拟存储器
一、概述
1、虚拟存储器
提供一种容量非常大的存储器 多任务所需存储器的总和大于实际存储器空间； 单个程序的地址空间超过了实际存储器； 地址空间 虚地址/逻辑地址：程序员编程使用的地址； 虚存空间/逻辑空间：虚地址对应的存储空间； 实地址/物理地址：物理内存的访问地址； 物理存储空间/主存空间：实地址对应的存储空间； 再定位：程序进行虚地址到实地址转换的过程；
3、虚拟存储器优点
根本优点 存储管理 保护 灵活
获得运行比物理存储器更大空间程序的能力
段式虚拟存储管理段长可变，可以适应 程序数据的特点，但容易造成“碎片”。 操作系统可对虚拟空间进行特定保护
程序的某部分可以装入主存的任意位置
提高存储效率 只在主存储器中保留最重要的部分 提高并行度 可扩展
构特性，而是从管理的角度人为划分的结果；
2、页式虚存地址映射
在大多数系统中，每个进程对应一个页表。页表
中每一个虚存页面对应一个表项，表项内容包含 该虚存页面所在主存页面的地址（物理页号）， 以及指示该逻辑页是否已调入主存的有效位。
地址变换时，用逻辑页号作为页表内的偏移地址
索引页表（将虚页号看作页表数组下标）并找到 相应物理页号，用物理页号作为实存地址的高字 段，再与虚地址的页内偏移量拼接，就构成完整 的物理地址。现代的中央处理机通常有专门的硬 件支持地址变换。
虚页号
页表基地址 按 地 址 读
虚地址 (程序中给出) 页内地址 实地址 (读写内存用) 页内地址
+
实页号
实页号
控制位：包括修改位、替换位
有效位：表示该页是否已装入主存
页 表
（在内存中）控制位 有效位
页表内容和页式管理
页式虚拟存储器的地址映射过程
3、页式虚拟存储器的访问过程
操作系统得到程序给出的虚地址；

段表本身也是一个段，可以存在辅存中，但一般 驻留在主存中。
逻辑地址
段表基地址
+
段号
段内地址
+
段 表
主存实际地址
段始地址 段长 装入位
段表内容及其管理
段式虚存的地址映射过程
3、段式虚拟存储器的优点
段的分界与程序的自然分界相对应；
易于编译、管理、修改和保护，便于多道程序共享； 段长动态可变；
同的是：
cache的替换全部靠硬件实现，而虚存的替换由操作
系统的支持；
虚存缺页对系统性能的影响比cache未命中要大得多，
因为调页需要访问辅存，并要进行任务切换；
虚存页面替换的选择余地很大，属于一个进程的页
面都可替换。
辅助存储器
一、概述
1. 特点 不直接与 CPU 交换信息，容量大，速度慢
第四章 存储器
第5讲
主要内容
存储器概述 主存储器 高速缓冲存储器 虚拟存储器

概述 段式虚拟存储器
页式虚拟存储器
段页式虚拟存储器 虚存的替换算法

辅助存储器
Cache 的基本结构
地址总 线 主存块号 访问主存 替换Cache 块号 块内地址
Cache Cache 替换机构 替换机构
否
可装进？
否
命中？
主存Cache 主存Cache 地址映射 地址映射 变换机构 变换机构
主 存
访问主存装入Cache
是
是 Cache地址 块号 块内地址
CPU
直接通路
Cache Cache存储体 存储体
数据总 线
Cache – 主存的地址映射
不灵活，命中率低
直接
全相联 组相联
某一 主存块 只能固定 映射到 某一 缓存块
操作系统由虚地址得到虚页号；
访问页表，得到对应的实页号； 若该页已在内存中，则根据实页号得到
实地址，访问内存；
否则，启动输入输出系统，读出对应页
装入主存，再进行访问；
增加由硬件实现的快表，提高访问速度
4、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； 快表，专用于页表缓存的高速存储部件通常称 为快表，或转换后援缓冲器(TLB)； 保存在主存中的完整页表则称为慢表。
虚地址 (程序中给出)
虚页号 页内地址
页表基地址
按 地 址 读
实地址
(读写内存用)
页内地址
+
实页号
实页号
慢 表
（在内存中）控制位 有效位
虚 页号
实 页号
比较(按内容选) 快表(专设硬件)
快表内容和页式管理
TLB的地址映射过程
5、内页表和外页表
内页表
页表是虚地址到主存物理地址的变换表，通
常称为内页表；
1. 磁记录原理 通过磁头和记录介质的相对运动完成读/写操作； 2. 磁表面存储器的记录方式
磁记录方式是指如何将一串二进制信息，通过读写电路变
换成磁层介质中的磁化翻转序列，是一种编码方法；
好的编码方法应该具备

更高的编码效率、自同步能力及读写可靠性等
常用的编码方式（RZ/NRZ/NRZ1/PM/FM/MFM)
相同点
出发点相同
二者都是为了提高存储系统的性能价格 比而构造的分层存储体系，都力图使存储系 统的性能接近高速存储器，而价格和容量接 近低速存储器。
原理相同
都是利用了程序运行时的局部性原理把 最近常用的信息块从相对慢速而大容量的存 储器调入相对高速而小容量的存储器。
5、虚存管理要解决的问题
调度问题 决定哪些程序和数据应被调入主存； 地址映射问题 在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（这一过 程称为内地址变换）；在访问辅存时把虚地址变成 辅存的物理地址（这一过程称为外地址变换），以 便换页。此外还要解决主存分配、存储保护与程序 再定位等问题； 替换问题 决定哪些程序和数据应被调出主存； 更新问题 确保主存与辅存的一致性；
改进的调频制（MFM）
只有连续两个或以上的“0”时，才在位周期的起始位置 翻转；
位周期 T 数据序列 0 1 RZ
1
1
0
0
0
1
0
NRZ
NRZ1 PM FM
MFM
常用磁记录方式波形图
例 NRZ1 的读出代码波形
数据序列 驱动电流 磁通变化 感应电势 同步脉冲 读出代码 0 1 1 0 0 1 0
2、虚存的访问过程
虚存空间的用户程序按照虚地址编程并存放在
辅存中；ຫໍສະໝຸດ Baidu
程序运行时，由地址变换机构依据当时分配给
该程序的实地址空间把程序的一部分调入实存；
每次访存时，首先判断该虚地址所对应的部分
是否在实存中：如果是，则进行地址转换并用 实地址访问主存；否则，按照某种算法将辅存 中的部分程序调度进内存，再按同样的方法访 问主存。
2）在全相联映射方式下，设计主存的地址；
主存字块标记 20 主存字块标记 9 组地址 11
字块内地址 2 字块内地址 2
3）在二路组相联方式下，设计主存地址；
三、Cache替换算法
1. 先进先出 （ FIFO ）算法
最早调入Cache的字块最先替换，容易实现，开销小
2. 近期最少使用（ LRU）算法
核心问题都在于处理数据的存放与调度
二、段式虚拟存储器
1、基本概念
段
核心问题在于设立 和管理段表
程序模块化设计的结果，即把程序中逻辑上相对独立
的部分（如过程、函数、数据表等）设计为不同的段, 再经过连接程序连接成更大的程序；
段表
主存中的可再定位的一段信息，用于变换程序中的逻
辑地址为主存单元的实际地址；

归零制（RZ） 线圈中正脉冲为“1”，负脉冲为“0”，信息位之间电流为零
不归零制（NRZ）
线圈中一直有正或负脉冲（包括两位信息位之间）；
见1翻转的不归零制（NRZ1）
只有见到“1”才改变电流的方向；
调相制（PM）
用脉冲的边沿来表示“0”和“1”；
调频制（FM）
“1”:位周期中心和位与位之间都翻转； “0”:位周期中心不翻转，位与位之间翻转；
三、页式存储管理
1、基本概念
关键在于设置和管 理好页表
页式存储管理是把虚拟空间和主存空间都分成
大小相同的页（为2的整数幂个字），并以页为 单位进行虚存与主存间的信息交换； 虚存地址和主存地址分别被分为虚存页号、页 内地址和主存页号、页内地址，虚、实二页号 会不同，但使用相同的页内地址；
与段式存储管理不一样，页不是程序本身的结
某一 主存块 能 映射到 任一 缓存块 成本高
某一 主存块 只能 映射到 某一 缓存 组 中的 任一块 r=0时是直接映射方式； r=c 是全相联；
块的大小为B，B=2 字/字节 c Cache共有C块，C=2 m t 主存为M块，M=2 ，T=M/C，T=2 ，m=t+c

b
直接映射 主存字块/组标记 Cache字块地址 t位 c位 全相联映射
道密度 Dt 位密度 Db
2. 磁表面存储器的技术指标
(1) 记录密度 (2) 存储容量 (3) 平均寻址时间 辅存的速度 (4) 数据传输率 (5) 误码率 C=n×k×s 寻道时间 + 等待时间 寻址时间 磁头读写时间 Dr = Db × V
出错信息位数与读出信息的总位数之比
二、磁记录原理和记录方式
4、段式虚拟存储器的缺点
段长各不相同，起点、终点不定； 空间分配困难，容易产生碎片； 需要更多的硬件支持；
由于段长不一定是2的整数次幂，因而不能简单 用虚地址和实地址的最低若干二进制位作为段内偏移 量，并与段号进行直接拼接，必须用加法操作通过段 起址与段内偏移量的求和运算求得物理地址。因此， 段式比页式存储管理方式需要更多的硬件支持。
块内地址 b位
主存字块标记 t+c位 （即m位）
R路组组相联映射 R=2
r
块内地址 b位
主存字块标记 t+r位
组地址 c-r位
块内地址 b位
例2 主存容量4M×16位，Cache容量16K×16位， 块长4×16位，访存地址为字地址。
1）在直接映射方式下，设计主存地址；
主存字块标记 Cache字块地址 字块内地址 8 12 2
在进行段页替换的同时可以执行其它进程
为对象提供了扩展空间的能力
4、虚存与Cache的比较
Cache Cache主要目的是解决存储速度问题，使存 储器的访问速度不太影响CPU的运行速度。 单位时间内数据交换的次数较多，每次交换 的数据量较小，只有几个到几十个字节。 由硬件管理 虚存 “主存——辅存层次”，主要目的是解决存 储容量的问题。 单位时间内数据交换次数较少，但每次交换 的数据量大，达几十至几千字节。 由操作系统管理
2、段表
在段式虚拟存储系统中，虚地址由段号和段内地
址（偏移量）组成，虚地址到实主存地址的变换 通过段表实现； 每个程序设置一个段表，段表的每一个表项对应 一个段，每个表项至少包含下面三个字段：

有效位：指明该段是否已经调入实存。 段起址：指明在该段已经调入实存的情况下，该段在 实存中的首地址。 段长：记录该段的实际长度。设置段长字段的目的是 为了保证访问某段的地址空间时，段内地址不会超出 该段长度导致地址越界而破坏其他段。