《程序存储器的扩展》课件.pptVIP

***********程序存储器概述1存储程序程序存储器主要存储计算机程序的指令和数据。它是计算机的核心组件之一。2执行指令CPU从程序存储器中读取指令，并根据指令执行相应的操作，例如数据运算、逻辑判断等。3高速存储程序存储器需要提供高速的读写速度，以确保计算机程序能够快速运行。4容量要求程序存储器的容量需要足够大，以满足现代计算机运行大型程序和大量数据的需求。程序存储器的扩展需求随着程序规模的不断增大，以及多任务操作系统和虚拟内存技术的应用，程序存储器容量的需求不断增加。为了满足这些需求，需要对程序存储器进行扩展，以提供更大的存储空间。扩展方式一:分段1逻辑地址空间将程序分成多个段2段表存储每个段的起始地址和长度3物理地址空间将每个段分配到物理内存分段是一种将程序逻辑地分成多个段的地址转换方法，每个段可以有不同的长度。通过段表来管理这些段的起始地址和长度，在运行时，将逻辑地址转换为物理地址。分段机制的实现逻辑地址的转换逻辑地址被转换为物理地址,并通过分段表找到对应的物理地址,确保内存管理的安全性分段表的建立操作系统需要维护一个分段表,用于记录每个段的基地址和长度,实现内存空间的管理段表管理操作系统需要管理分段表的建立、修改和删除等操作,确保分段机制正常运行段页式内存管理将分段机制与分页机制相结合,可以更好地管理内存空间分段机制的优缺点分析优点分段机制能够实现逻辑地址空间的独立性，不同程序之间可以共享数据，提高内存利用率。缺点分段机制需要额外的硬件支持，如段表和段寄存器，增加了系统开销。应用场景分段机制适合于需要逻辑地址空间独立性的应用场景，如多用户操作系统和数据库系统。扩展方式二:分页分页是另一种常见的程序存储器扩展方式。它将程序逻辑地址空间划分为固定大小的页面，并将物理内存也划分为相同大小的页框。1逻辑地址被分成固定大小的页面2物理地址被分成固定大小的页框3页表存储页面的物理地址4地址转换通过页表将逻辑地址转换为物理地址分页机制允许非连续的物理内存来存放程序，提高内存利用率，并简化内存管理。分页机制的实现1逻辑地址到物理地址的转换逻辑地址由页号和页内偏移量组成，物理地址由帧号和帧内偏移量组成。分页机制通过页表将逻辑地址转换为物理地址。2页表页表是操作系统管理的一种数据结构，它包含每个页面的物理地址信息，以及其他控制信息，例如访问权限、状态等。3页面替换当要访问的页面不在内存中时，需要进行页面替换。操作系统会选择一个页面从内存中移出，并将要访问的页面加载到内存中。分页机制的优缺点分析优点提高内存利用率，减少内存碎片，方便内存管理，易于实现程序共享。缺点需要额外的内存空间存放页表，增加了地址转换时间，可能会出现页表缺失问题。页表的组织形式单级页表每个进程只有一张页表。页表的大小与虚拟地址空间的大小成正比。适合于虚拟地址空间较小的系统。多级页表将页表分成多个层次，每个层次对应一个页表。适用于虚拟地址空间较大的系统。可以有效地减少页表占用的内存空间。反向页表以物理页号为索引，每个条目对应一个虚拟页号。适用于多个进程共享物理内存的系统，可以提高内存利用率。页表项的内容11.页框号指示该页所对应的物理内存页框的编号，用于定位页面的物理地址。22.状态位记录页面的状态信息，例如是否在内存中、是否被修改过等。33.保护位用于控制对页面的访问权限，例如读、写、执行等。44.其他信息可能包含其他信息，例如时间戳、修改次数等，用于页面管理和调度。换出页面的替换算法1最佳页面置换算法最优算法，但无法实现2最近最少使用(LRU)基于最近访问时间3先进先出(FIFO)最简单的算法4时钟算法LRU的近似算法选择合适的替换算法对系统性能至关重要，需考虑算法复杂度和性能表现。快表(TLB)的作用加速地址转换TLB存储最近使用的页面映射，减少了访问主存页表的次数，加快了地址转换速度。提高系统性能通过减少内存访问次数，TLB有效地提升了CPU的执行效率，从而提高了整个系统的性能。降低内存访问时间由于TLB存储在高速缓存中，访问速度远快于主存，有效地降低了内存访问时间。快表的工作原理1.虚拟地址查找CPU访问内存时，首先访问虚拟地址。2.快表查找CPU检查快表，查看该虚拟地址是否已映射到物理地址。3.命中快表若命中，直接获取物理地址，并访问内存。4.未命中快表若未命中，访问页表，获取物理地址，并将该条目添加到快表。5.访问内存CPU使用获取