微处理器结构与设计--第14次课-2013-06-05_173007261.pdf

微处理器结构与设计 虚拟存储器 Virtual Memory 第14次课 2013.06.05 1 微电子学研究所李树国 虚拟存储器的概念 • 主存储器（DRAM）可作为磁盘的“cache” • 开发虚拟存储器有2个诱因： – 允许多道程序有效安全地共享存储器 – 允许单一的用户程序使用的存储空间超过主存储器容量 • 允许多道程序有效安全地共享存储器 – 多道程序使用的空间往往大于实际的主存容量，但在任何时间点只有一 部分空间处于激活状态，正是程序的局部性原理造就了虚拟存储器及 cache – 虚拟存储器使我们更有效地共享处理器和主存储器（DRAM） – 多道程序共享存储器，必须遵循规则对指定的区域进行读写 – 程序编译到属于自己的地址空间，即内存中仅由该程序能访问的连续地 址空间 – 虚拟存储器实现了从程序地址空间到物理地址空间的转换，这种转换加 强了程序地址空间的保护 2 微电子学研究所李树国 • 允许单一的用户程序使用的存储空间超过主存储 器容量 – 过去，由程序员负责存储器空间的多道程序的覆盖和 装入。现在，虚拟存储器的发明消除了程序员的负担 ，并可自动的管理主存储器（DRAM）和辅助存储体 磁盘的调入和调出 – 尽管虚拟存储器和cache的工作机理一样，但使用的技 术术语不同 • Cache 中的Block，虚拟存储器：page (页） • Cache 中的cache miss，虚拟存储器：page fault （页缺失） • 对虚拟存储器来说，处理器产生的虚拟地址可被 转换为访问主存储器（DRAM）的物理地址 3 微电子学研究所李树国 一个有page的虚拟地址空间到物理地址空间转换 • 微处理器产生虚拟地址，而访问主存储器（DRAM）需要物理地址 • 虚拟存储器和物理存储器都以page为单位块进行存储，因此，虚拟页要 被映射成一个物理页。 • 对一个虚拟页来说，可能不驻留在主存储器（DRAM），而驻留在磁盘上 ，这时，就不能映射成物理地址 • 2个虚拟地址可指向同一个物理地址，因此，可用来共享数据或代码 4 微电子学研究所李树国 • 重定位(Relocation)可把一个程序的虚拟地 址映射成一个不同的物理地址 • 重定位可把一个程序装入到存储器的任何 地方，通过重定位，任何一个程序都可存 放在主存储器中的若干页中。 5 微电子学研究所李树国 从虚拟地址到物理地址的映射 虚拟地址空间232 ＝4GB ，物理地址空间230 ＝1GB， 页的大小为Page size＝212 ＝4KB 事实上，从4GB 的虚拟空间到1GB的物理空间映射 6 微电子学研究所李树国 Page fault 页缺失的代价 Page fault 需要花费数百万个机器周期去处理 下表是SRAM，DRAM和磁盘的访问时间 巨大的访问时间决定了设计虚拟存储器的必要性 7 微电子学研究所李树国 • 页的大小应足够大，以弥补很长的访问时间。（也就是说一 个货车，应拉足够多的货物，才能弥补运输成本和利润）。 – 通常