组成原理第3章 存储系统.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 例 某程序要求访问的块的号为342643743634846，cache的容量为4块，描述出调用情况及FIFO\LRU算法的命中率。 4.6 虚拟存储器 虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，并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。 虚拟存储器不仅是解决存储容量和成本之间矛盾的一种方法, 而且也是管理外存储设备的有效手段。 它属于存储系统的主存-辅存层次。能够以透明的方式给用户提供一个比实际主存空间大得多的程序地址空间。有了虚拟存储器 , 用户就无需再考虑所编程序在主存中是否放得下或放在什么位置等问题。 4.6.1虚拟存储器的基本概念 1.什么是虚拟存储器 虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，并不是任何实际的物理存储器。它指的是主存-辅存存储层次结构。能够以透明的方式给用户提供一个比实际主存空间大得多的程序地址空间。此时程序的逻辑地址称为虚拟地址 ( 虚地址 ), 程序的逻辑地址空间称为虚拟地址空间。 基本概念 物理地址 ( 实地址 ) 由CPU 地址引脚送出, 它是用于访问主存的地址。设 CPU 地址总线的宽度为 m 位 , 那么物理地址空间的大小用2m来表示。 　 虚拟地址是由编译程序生成的。工作在虚拟地址模式下的 CPU 理解这些虚拟地址，并将它们转换成物理地址。设虚拟地址字长为 n 位 , 则虚拟地址空间的大小可用2n 来表 示。但因虚拟存储器的内容要保存在磁盘上 , 故虚拟地址空间的大小实际上受到辅助存 储器容量的限制。 替换策略遵循的原则 　 ⑴把程序中最近常用的部分驻留在高速的存储器中。 　 ⑵一旦这部分变得不常用了，把它们送回到低速的存储器中。  ⑶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。  ⑷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。 两种存储系统的主要区别在于： 在虚拟存储器中未命中的性能损失要远大于Cache系统中未命中的损失。 主存-辅存层次的基本信息传送单位 　　 主存-辅存层次的基本信息传送单位可采用几种不同的方案：段、页或段页。 段是按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分，作为独立的逻辑单位。 　　优点是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；某些类型的段具有动态可变长度,允许自由调度以便有效利用主存空间。 　　缺点是因为段的长度各不相同，起点和终点不定，给主存空间分配带来麻烦，而且容易在段间留下许多空余的零碎存储空间，造成浪费。 主存-辅存层次的基本信息传送单位 页是主存物理空间中划分出来的等长的固定区域。 　　优点是页面的起点和终点地址是固定的,方便造页表,新页调入主存也很容易掌握，比段式空间浪费小。 　　缺点是处理、保护和共享都不及段式来得方便。 段页式管理采用分段和分页结合的方法。 　　 程序按模块分段，段内再分页，进入主存以页为基本信息传送单位，用段表和页表进行两级定位管理。 4.6.2页式虚拟存储器 页式虚拟存储系统中，虚拟空间分成页，称为逻辑页；主存空间也分成同样大小的页，称为物理页。 虚存地址分为两个字段：高字段为逻辑页号，低字段为页内行地址。 实存地址也分两个字段：高字段为物理页号，低字段为页内行地址。 页表中每一个虚存逻辑页号有一个表目，表目内容包含该逻辑页所在的主存页面地址(物理页号),用它作为实存地址的高字段，与虚存地址的页内行地址字段相拼接，产生完整的实主存地址，据此来访问主存。如下图所示： 页式虚拟存储器 例题 主存容量为4MB，1GB，页面大小为4KB。1.写出主存的地址2.写出虚拟地址格式3.页表长度为多少？ 页式虚拟存储器 为了避免页表已保存或已调入主存储器时对主存访问次数的增多, 把页表的最活跃部分存放在高速存储器中组成快表。快表与慢表实现内部地址变换的方式见下图： 页式虚拟存储器 页式虚拟存储器 快表由硬件组成，比页表小得多，查表时，由逻辑页号同时去查快表和慢表，当在快表中有此逻辑页号时，就能很快地找到对应的物理页号送入实主存地址寄存器，从而做到虽采用虚拟存储器但访问主存速度几乎没有下降。 4.6.3段式虚拟存储器 在段式虚拟存储系统中, 段是按照程序的逻辑结构划分的, 各个段的长度因程序而异。虚拟地址由段号和段内