计组原理

虚拟存储器

定义

  1. 虚拟存储器 := 主存&辅存地址空间统一编址
  2. 虚地址/逻辑地址 := 用户可自由编程的统一编址
  3. 实地址/物理地址 := 主存地址空间
  4. 工作原理 0. 前提：主辅存交流开销大
    1. 主存 as 辅存の Cache
    2. 全相联映射
    3. 回写法

典型虚存

  • 页式虚拟存储器
  • 段式虚拟存储器
  • 段页式虚拟存储器
虚存类型 页 段 段页
单位大小 固定 不固定
分配后也可变长
对程序员透明 ✅ 透明 ❌ 不透明
低级语言 & 编译器 aware
内存碎片 对内碎片
页表内碎片
最后一页浪费		 对外碎片
主存上的段间碎片
与主存交换信息单位 页 段 页
分隔依据 定长分隔 逻辑分隔
便于编译、修改、共享、保护

页式虚拟存储器

  1. 静态原理
    1. 页表 := [装入位(1):脏位(1):替换控制位:物理地址]x页表项数
      • 装入位 := 是否已存在主存
    2. 虚拟地址 := [页号:页内地址]
    3. 页表基址存储器 CR3 := 存页表所在地址
    4. 快表 TLB := 存页表热项的类 cache
      1. SRAM 实现
  2. 动态原理
    1. 页表项 := CR3 + 虚拟地址.页号
      • 先在 TLB 查是否有此项，miss 再查慢表
      • 页表项.装入位 = 0 $\Rightarrow$ OS 缺页异常
      • 页表项.装入位 = 1 $\Rightarrow$ 物理地址 := [页表项.物理页号:虚拟地址.页内地址]

段式虚拟存储器

  1. 静态原理
    1. 段表 := [段首址:装入位:段长]x段表项数
    2. 虚拟地址 = [段号:段内地址]
    3. 段表基址存储器 := 存段表所在地址
  2. 动态原理
    1. 段表项 := 段表基址存储器 + 虚拟地址.段号
    2. 物理地址 := [段表项.段首址:虚拟地址.段内地址]

段页式虚拟存储器

  1. 原理：先分段，段内分页
  2. 虚拟地址 := [段号:段内页号:页内地址]
  3. 优点：按段实现共享保护
  4. 缺点：两次查表，开销大

虚存缺失

缺失推断律

  1. Page miss $\implies$ Cache miss
  2. Page miss $\implies$ TLB miss
页表 Page 缓存 Cache 快表 TLB 访存次数 说明
✅ hit ✅ hit ✅ hit 0
✅ hit ✅ hit ❌ miss 1
✅ hit ❌ miss ✅ hit 1
✅ hit ❌ miss ❌ miss 2
❌ miss ❌ miss ❌ miss $\geq 2$ 发生缺页异常，访问磁盘

虚存 vs Cache

  • 相同点
  • 不同点
    1. 【miss 开销】 虚存 miss 开销 $>$ cache miss 开销 主存辅存访存速度差距 100 倍，而 cache 主存访存速度差距 10 倍
    2. 【miss 解决】
      1. 虚存 miss $\Rightarrow$
        • 先从辅存调到主存，CPU 才能继续访问
        • CPU 与 miss 辅存不能直接通信
      2. cache miss $\Rightarrow$
        • CPU 直接访问主存
        • CPU 与 miss 主存可以直接通信
    3. 【问题导向】
      • 虚存 $\Rightarrow$ 解决主存容量问题
      • cache $\Rightarrow$ 解决系统速度问题
    4. 【透明性】
      • 虚存 $\Rightarrow$ 对系统程序员不透明，对应用程序员透明
      • cache $\Rightarrow$ 对所有程序员透明