虚拟存储器

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概述

如何将更多任务装入主存

  • 增大主存容量

  • 使用交换技术、

    • 当主存中没有处于就绪的任务时，操作系统调入其他任务来执行

    • 分区和分页

  • 虚拟存储器

    • 请求分页：每次访问仅将当前需要的页面调入主存，而其他不活跃的页面放在外存磁盘上

    • 虚拟地址

分区方式

主存分为两大区域：系统区、用户区

  1. 简单固定分区

    用户区划分成长度不等的固定长的分区，当一个任务调入主存时，分配一个可用的、能容纳它的、最小的分区

  2. 可变长分区

    用户区按每个人物所需要的内存大小进行分配

    • 时间越长，存储器中的碎片就会越多

分页方式

基本思想：

  • 把主存分成固定长且比较小的存储块，称为页框，每个任务也被划分成固定长的程序块，称为页

  • 将页装入页框上，且无需采用连续的页框来存放一个任务中所有的页

逻辑地址：指令中的地址

物理地址：实际主存地址

虚拟存储器

基本思想：

  • 请求分页：仅将当前需要的页面调入主存

    • 通过硬件将逻辑地址转换为物理地址

    • 未命中时在主存和硬盘之间交换信息

优点：

  1. 在不扩大物理内存的前提下，可以载入更多的任务

  2. 编写程序时不需要考虑可用物理内存的状态

  3. 可以在大于物理内存的逻辑地址空间中编程

流程

  1. 先把程序加载到硬盘的特定区域，然后我们什么时候需要这个内存，移动到主存中去

  2. 存储是否被加载到物理内存中，如果被加载进物理内存，则是物理地址，如果没有在里面就在磁盘中

    • 满了可以使用替换策略进行替换

  3. 内存中有的，硬盘中也是有的

    • 拷贝关系

页大小：4KB、8KB、$\cdots$

映射算法：全相联映射

写策略：写回法

  • 被替换出来才修改硬盘中的数据

种类：

  • 分页式虚拟存储器

  • 分段式虚拟存储器

  • 段页式虚拟存储器

分页式虚拟存储器

主存储器和虚拟地址空间都被划分成大小相等的页面

  • 虚拟页/逻辑页：虚拟地址空间中的页面

  • 物理页/页框：主存空间中的页面

页表

页表中包含了所有虚拟页的信息，包括虚拟页的存放位置、有效位（有无被加载到物理内存中）、修改位、存取权限位等等

  • 保存在主存中

虚拟地址：页号+页内偏移量

页号 页内偏移量

根据页表中记录的物理页存放位置，可以将虚拟地址转化为物理地址

  • 虚拟页号 + 页内偏移量 $\rightarrow$ 物理页号 + 页内偏移量

  • location没写：指向硬盘的指针

  • loaction = null：表示磁盘里没有，而不是内存中没有

  • 虚拟页号比物理页号大一些

    • 虚拟页号没必要存储，按照相应的物理页号位置来找虚拟页号的位置

如果location的长度是不同的，那么必须按照最长的部分等长存储，以免无法进行更换

快表TLB

为了减少对内存的访问，我们将常用的页表的行放到Cache中去

  • 需要在前面加上个标记表示第几行

  • 映射方式：全相联映射、组相联映射

  • 替换策略：随机替换

流程

我们只要将虚拟页号根据页表转换到物理页号中去

  • 前提：在物理内存中

  • 如果hit，直接传入物理地址；如果miss，到页表中去访问

    • 这里的hit和miss发生在Cache中，因为TLB存放在Cache中

    • 如果hit并且是invaild（无效）的情况下，我们用硬盘把页送到内存中去，然后到Cache正常访问

      • 有效位是表示有无加载到物理内存中

如果没在物理内存中的话，就是发生了缺页操作，于是对磁盘进行操作

  • 也就是invaild操作

TLB、页表、Cache缺失组合

序号 TLB 页 Cache 可能性 说明
1 hit hit hit 可能 TLB命中则页一定命中，信息在主存里，就可能在Cache中
2 hit hit miss 可能 TLB命中则页一定命中，信息在主存里，可能不在Cache中
3 miss hit hit 可能 TLB缺失但页可能命中，信息在主存里，就可能在Cache中
4 miss hit miss 可能 TLB缺失但页可能命中，信息在主存里，但可能不在Cache中
5 miss miss miss 可能 TLB缺失，则页也可能缺失，信息不在主存，一定也不在Cache
6 hit miss miss 不可能 页缺失，说明信息不在主存，TLB一定没有该页表项
7 hit miss hit 不可能 页缺失，说明信息不在主存，TLB一定没有该页表项
8 miss miss hit 不可能 页缺失，说明信息不在主存，Cache一定没有该信息

  • Cache是内存的拷贝

  • TLB miss的情况下只是比hit的情况多一次内存访问

访问主存和硬盘次数：

  • 无需访问主存：1

  • 访问一次主存：2、3

  • 访问两次主存：4

  • 访问2次主存，且访问硬盘：5

分段式虚拟存储器

将程序和数据分成不同长度的段，将所需的段加载到主存中

虚拟地址：段号 + 段内偏移量

优点：段的分解与程序的自然分解相对应，易于变易、管理、修改和保护

缺点：段的长度不固定

段页式虚拟存储器

将程序和数据分段，段内再进行分页

  • 每个分段都有一个页表

虚拟地址：段号 + 页号 + 页内偏移量

优点：程序按段实现共享与保护

缺点：需要多次查表