存储原理 |
工作原理编辑本段回目录
虚拟存储器模型 |
①中央处理器访问主存的逻辑地址分解成组号a和组内地址b,并对组号a进行地址变换,即将逻辑组号a作为索引,查地址变换表,以确定该组信息是否存放在主存内。
②如该组号已在主存内,则转而执行④;如果该组号不在主存内,则检查主存中是否有空闲区,如果没有,便将某个暂时不用的组调出送往辅存,以便将这组信息调入主存。
③从辅存读出所要的组,并送到主存空闲区,然后将那个空闲的物理组号a和逻辑组号a登录在地址变换表中。
④从地址变换表读出与逻辑组号a对应的物理组号a。
⑤从物理组号a和组内字节地址b得到物理地址。
⑥根据物理地址从主存中存取必要的信息。
存储模型 |
虚实地址编辑本段回目录
示意图 |
用户编制程序时使用的地址称为虚地址或逻辑地址,其对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间;而计算机物理内存的访问地址则称为实地址或物理地址,其对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间。程序进行虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位。
2、虚存的访问过程
虚存空间的用户程序按照虚地址编程并存放在辅存中。程序运行时,由地址变换机构依据当时分配给该程序的实地址空间把程序的一部分调入实存。每次访存时,首先判断该虚地址所对应的部分是否在实存中:如果是,则进行地址转换并用实地址访问主存;否则,按照某种算法将辅存中的部分程序调度进内存,再按同样的方法访问主存。由此可见,每个程序的虚地址空间可以远大于实地址空间,也可以远小于实地址空间。前一种情况以提高存储容量为目的,后一种情况则以地址变换为目的。后者通常出现在多用户或多任务系统中:实存空间较大,而单个任务并不需要很大的地址空间,较小的虚存空间则可以缩短指令中地址字段的长度。
异构体系编辑本段回目录
地址 |
在三级存储体系中,cache-主存和主存-辅存这两个存储层次有许多相同点:
(1)出发点相同:二者都是为了提高存储系统的性能价格比而构造的分层存储体系,都力图使存储系统的性能接近高速存储器,而价格和容量接近低速存储器。
(2)原理相同:都是利用了程序运行时的局部性原理把最近常用的信息块从相对慢速而大容量的存储器调入相对高速而小容量的存储器。
存储体系 |
(1)侧重点不同:cache主要解决主存与CPU的速度差异问题;而就性能价格比的提高而言,虚存主要是解决存储容量问题,另外还包括存储管理、主存分配和存储保护等方面。
(2)数据通路不同:CPU与cache和主存之间均有直接访问通路,cache不命中时可直接访问主存;而虚存所依赖的辅存与CPU之间不存在直接的数据通路,当主存不命中时只能通过调页解决,CPU最终还是要访问主存。
(3)透明性不同:cache的管理完全由硬件完成,对系统程序员和应用程序员均透明;而虚存管理由软件(操作系统)和硬件共同完成,由于软件的介入,虚存对实现存储管理的系统程序员不透明,而只对应用程序员透明(段式和段页式管理对应用程序员“半透明”)。
(4)未命中时的损失不同:由于主存的存取时间是cache的存取时间的5~10倍,而主存的存取速度通常比辅存的存取速度快上千倍,故主存未命中时系统的性能损失要远大于cache未命中时的损失。
示意图 |
(1)调度问题:决定哪些程序和数据应被调入主存。
(2)地址映射问题:在访问主存时把虚地址变为主存物理地址(这一过程称为内地址变换);在访问辅存时把虚地址变成辅存的物理地址(这一过程称为外地址变换),以便换页。此外还要解决主存分配、存储保护与程序再定位等问题。
(3)替换问题:决定哪些程序和数据应被调出主存。
(4)更新问题:确保主存与辅存的一致性。
在操作系统的控制下,硬件和系统软件为用户解决了上述问题,从而使应用程序的编程大大简化。
页式调度编辑本段回目录
页式虚拟存储系统 |
页式虚拟存储系统中,虚地址空间被分成等长大小的页,称为逻辑页;主存空间也被分成同样大小的页,称为物理页。相应地,虚地址分为两个字段:高字段为逻辑页号,低字段为页内地址(偏移量);实存地址也分两个字段:高字段为物理页号,低字段为页内地址。通过页表可以把虚地址(逻辑地址)转换成物理地址。
在大多数系统中,每个进程对应一个页表。页表中对应每一个虚存页面有一个表项,表项的内容包含该虚存页面所在的主存页面的地址(物理页号),以及指示该逻辑页是否已调入主存的有效位。地址变换时,用逻辑页号作为页表内的偏移地址索引页表(将虚页号看作页表数组下标)并找到相应物理页号,用物理页号作为实存地址的高字段,再与虚地址的页内偏移量拼接,就构成完整的物理地址。现代的中央处理机通常有专门的硬件支持地址变换。
2、转换后援缓冲器
由于页表通常在主存中,因而即使逻辑页已经在主存中,也至少要访问两次物理存储器才能实现一次访存,这将使虚拟存储器的存取时间加倍。为了避免对主存访问次数的增多,可以对页表本身实行二级缓存,把页表中的最活跃的部分存放在高速存储器中,组成快表。这个专用于页表缓存的高速存储部件通常称为转换后援缓冲器(TLB)。保存在主存中的完整页表则称为慢表。
3、内页表和外页表
页表是虚地址到主存物理地址的变换表,通常称为内页表。与内页表对应的还有外页表,用于虚地址与辅存地址之间的变换。当主存缺页时,调页操作首先要定位辅存,而外页表的结构与辅存的寻址机制密切相关。例如对磁盘而言,辅存地址包括磁盘机号、磁头号、磁道号和扇区号等。
段式调度编辑本段回目录
段式虚拟存储系统 |
(1)有效位:指明该段是否已经调入实存。
(2)段起址:指明在该段已经调入实存的情况下,该段在实存中的首地址。
(3)段长:记录该段的实际长度。设置段长字段的目的是为了保证访问某段的地址空间时,段内地址不会超出该段长度导致地址越界而破坏其他段。
段表本身也是一个段,可以存在辅存中,但一般驻留在主存中。
段式虚拟存储器有许多优点:
①段的逻辑独立性使其易于编译、管理、修改和保护,也便于多道程序共享。
②段长可以根据需要动态改变,允许自由调度,以便有效利用主存空间。
段式虚拟存储器也有一些缺点:
①因为段的长度不固定,主存空间分配比较麻烦。
②容易在段间留下许多外碎片,造成存储空间利用率降低。
③由于段长不一定是2的整数次幂,因而不能简单地像分页方式那样用虚地址和实地址的最低若干二进制位作为段内偏移量,并与段号进行直接拼接,必须用加法操作通过段起址与段内偏移量的求和运算求得物理地址。因此,段式存储管理比页式存储管理方式需要更多的硬件支持。
段页式调度编辑本段回目录
字线示意图 |
虚拟地址格式如下:
基号 | 段号 | 页号 | 页内地址 |
变换算法编辑本段回目录
段式管理图 |
①随机算法:用软件或硬件随机数产生器确定替换的页面。
②先进先出:先调入主存的页面先替换。
③近期最少使用算法:替换最长时间不用的页面。
④最优算法:替换最长时间以后才使用的页面。这是理想化的算法,只能作为衡量其他各种算法优劣的标准。