第四节第四讲虚拟存储器.ppt

第三单元 层次存储系统 第四讲 虚拟存储器 刘卫东 liuwd@tsinghua.edu.cn 内容提要 虚拟存储器的目的 给程序员提供比实际主存大得多的地址空间 虚拟存储器的管理 段式管理、页式管理、段页式管理 段页式管理的地址映射 Pentium的虚拟存储管理 存储容量需求 应用需求 海量数据处理 天气预报、地震预测、石油勘探? 多媒体信息处理 语音、图形、图象? 软件需求 Nathan软件第一定律：软件是一种可以膨胀到充满整个容器的气体。 技术需求 多进程、多道程序 提高存储器容量 降低主存储器成本，在同样成本下，可以获得更大的主存容量。 主存的价格到今天也是依然比较昂贵 程序对主存的“胃口”的增加和主存价格的降低速度几乎一样的快。 采用虚拟存储器 现代计算机的层次存储器系统 利用程序的局部性原理: 以最低廉的价格提供尽可能大的存储空间 以最快速的技术实现高速存储访问 虚拟存储器 提供一种容量非常大的存储器 多个任务所需存储器的总和大于实际存储器空间 单个程序的地址空间超过了实际存储器 使得可利用的物理存储器得到更好地利用 简化存储器的管理 地址空间： 虚拟地址：程序员编程使用的地址 虚拟地址空间：虚拟地址的集合 存储器地址：物理存储器的地址，也称物理地址（Physical Address）或实地址（Real Address） 逻辑地址：程序员使用的地址 虚拟存储器优点 根本优点 获得运行比物理存储器更大空间程序的能力 存储管理 段式虚拟存储管理段长可变，可以适应程序数据的特点，但容易造成“碎片”。 保护 操作系统可以对虚拟存储空间进行特定的保护 . . . 灵活 程序的某部分可以装入主存的任意位置 提高存储效率 只在主存储器中保留最重要的部分 提高并行度 在进行段页替换的同时可以执行其它进程 可扩展 为对象提供了扩展空间的能力. 虚存与Cache的比较 虚存 “主存——辅存层次”，主要目的是解决存储容量的问题。 单位时间内数据交换次数较少，但每次交换的数据量大，达几十至几千字节。 Cache Cache主要目的是解决存储速度问题，使存储器的访问速度不太影响CPU的运行速度。 单位时间内数据交换的次数较多，每次交换的数据量较小，只有几个到几十个字节。 段式存储管理 段是程序模块化设计的结果，即把程序中逻辑上相对独立的部分（如过程、函数、数据表等）设计为不同的段, 再经过连接程序连接成更大的程序。 此时用段作为信息调入主存的单位是合适的，以段为单位分配与管理主存储器被称为段式存储管理。 段表内容及其管理 段式存储管理的核心问题在于设立和管理段表；段表也是主存中的可再定位的一段信息，用于变换程序中的逻辑地址为主存单元的实际地址。 页式存储管理 页式存储管理是把虚拟空间和主存空间都分成大小相同的页（为二的整数幂个字）， 并以页为单位进行虚存与主存间的信息交换。 此时虚存地址和主存地址分别被分为 虚存页号、页内地址和主存页号、页内地址，虚、实二页号会不同，但使用相同的页内地址。 与段式存储管 理不一样，页不是程序本身的结构特性，而是从管理的角度人为划分的结果。 设置和管理好页表是页式存储管理的关键技术。 页表内容和页式管理 页表内容和页式管理 Translation Look-Aside Buffers TLB 设计问题 访问频繁:速度是第一位的 TLB 缺失将造成： 流水线停止 通知操作系统 读页表 将表项写入 TLB 返回到用户程序 重新访问 因此，应尽量减少缺失: 多路组相连 再尽量提高TLB的容量 TLBs and caches 页面大小的选择 减少内部碎片 缩小页面大小可以减少内部碎片 但是：需要更大的页表 趋势：增大页面大小 RAM价格下降，内存储器容量增大 内存和外存性能差距增大 程序员需要更大的地址空间 目前：页面大小为4K左右 页面替换算法 最近最少使用（LRU） 将页帧按照最近最多使用到最近最少使用进行排序，再次访问一个页帧时，将该页帧移到表头，替换时将表尾的页帧换出。 一点改进：替换出其中一个“干净”的页帧。 Pentium的虚存管理 不分段也不分页模式。在这种模式下，虚拟存储的地址空间和物理存储空间大小相同，可以用在复杂度较低但对性能有较高要求的场合。 页式管理模式。这种模式将主存分成固定长度的页，通过页进行存储保护和管理。 段式管理模式。段式管理模式按程序本身的逻辑段来划分主存空间，与页式管理相比，段的长度可变，而且，由于段表存放在Pentium的内部寄存器中，段式管理的存储访问时间是可以预知的。 段页式管理模式。段页式管理模式首先按程序的逻辑结构将主存分段，对段进行访问控制，然后，在段内分页，按页进行数据交换。 Pentium虚实地址的转换 虚地址（逻辑地址）： 程序