计算机组成原理·虚拟存储器页式段式和段页式

虚拟存储器·页式·段式·段页式

主存和辅存共同构成了虚拟存储器，在硬件和系统软件的共同管理下工作。对于程序员而言，虚拟存储器是透明的，将主存和辅存的地址空间统一编址
用户编程允许涉及的地址称为虚地址或逻辑地址，虚拟地址对应的是存储空间称为虚拟空间
实际的主存单元地址称为实地址或物理地址，实地址对应的存储空间称为主存地址空间或实地址空间

• 实地址 = 主存页号 + 页内字地址
• 虚地址 = 虚存页号 + 页内字地址
• 辅存地址 = 磁盘号 + 盘面号 + 磁道号 + 扇区号

CPU使用虚地址访存，由辅助硬件找出虚地址和实地址之间的对应关系，并判断这个虚地址对应的存储单元是否已装入内存

• 在内存，通过地址变换，CPU可直接访问主存指示的数据单元
• 不在内存，则把包含这个 字的一页或一段调入主存后，在通过虚实地址变换访问

页式虚拟存储器

以页为基本单位，虚拟空间与主存空间划分为同样大小的页，主存的页称为实页、页框，虚存的页称为虚页

页表

页表是一张存储在主存中的虚页号和实页号对照表，记录程序的虚页调入主存时被安排在主存中的位置，页表一般长期存在于主存内

1	2	3	4
有效位	脏位	引用位	物理页

• 有效位（装入位）：表示对应页是否在主存
• 脏位（修改位）：表示页面是否被修改过，配合回写策略，判断是否需要写回磁盘
• 引用位（使用位）：配合替换算法进行设置

CPU运行指令时，虚地址转实地址：

• 页表基址寄存器存放进程的页表首地址
• 根据虚拟地址高位部分的虚拟页号找到相应的页表项
• 装入位为1，则取出物理页号和虚拟地址地位进行拼接，形成实际物理地址
• 装入位为0，说明缺页，需要操作系统进行缺页处理

快表(TLB)

高速缓存器制成，依据程序的局部性原理，内存中的页表称之为慢表，地址转换时，先查快表，命中无需访问主存中的页表
快表通常采用组相联或全相联方式

t	r	p
标记	有效位	实页号

具有TLB和Cache的多级存储系统

三种缺失的情况

	TLB	Page	Cache	说明
1	命中	命中	命中	TLB命中则Page一定命中，信息在主存，就可能在Cache
2	命中	命中	缺失	TLB命中则Page一定命中，信息在主存，也可能不在Cache
3	缺失	命中	命中	TLB缺失但Page可能命中，信息在主存，就可能在Cache
4	缺失	命中	缺失	TLB缺失但Page一定命中，信息在主存，也可能不在Cache
5	缺失	缺失	缺失	TLB缺失则Page也可能缺失，信息不在主存，也一定不在Cache

段式虚拟存储器

按照程序的逻辑结构划分，将逻辑地址分为段号和段内地址，虚实地址转换是由段表来是实现的，段表是程序的逻辑段和在主存中存放位置的对照表

段号	段首地址	装入位	段长

CPU访存时：

• 根据段号与段表基地址拼接成对应的段表行
• 根据段表行的装入位判断是否调入内存
• 调入内存，则从段表读出该段在主存的起始地址，与段内地址相加，得到对应的主存实地址

段页式虚拟存储器

根据程序的逻辑结构，将每段划分为固定的大小页，主存空间也划分为大小相等的页，程序对主存调入、调出仍以页为基本传送单位
每个程序对应一个段表，每个段表对应一个页表，段的长度必须是页长的整数倍

段号	段内页号	页内地址

CPU访存：

• 根据段号得到段表地址
• 从段表中取出该段的页表起始地址，与虚地址段页号合成，得到页表地址
• 从页表中取出实页号，与页内地址拼接形成实地址

虚拟存储器与Cache的比较

相同	不同
目的均为提供系统性能	Cache主要解决系统速度，虚拟存储器解决主存容量
均把数据划分为小的信息块作为基本传递单位，虚存系统的信息块更大	Cache由硬件实现，对程序员透明，虚拟存储器由OS和硬件实现，是逻辑上的存储器，对系统程序员不透明，对应用程序员透明
都有地址的映射、替换算法、更新策略
均依据程序的局部性原理