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12. 虚拟存储器

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作者 Sa1i3ri 10 分钟阅读

1. 内存管理

  1. 早期计算机的主存中仅包含系统软件和一个用户程序
  2. 现在计算机的主存中包含操作系统和若干个用户程序
    1. 当所有任务都需要等待I/O时，为了避免处理器处于空闲状态，需要尽可能让更多的任务进入主存
    2. 多道程序设计：让处理器一次处理多个任务，提高处理器的利用率
  3. 内存管理
    1. 在多道程序系统中，主存需要进一步划分给多个任务，划分的任务由操作系统动态执行
    2. 本门课不区分“进程”和“任务”这个更抽象的概念

2. 如何将更多更大的任务装入主存

  1. 增大主存容量
  2. 使用交换（exchange）技术
    1. 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
    2. 分区（partitioning）和分页（paging）
  3. 虚拟存储器
    1. 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
    2. 虚拟地址

3. 分区(Partitioning)

分区方式将主存分为两大区域

  1. 系统区：固定的地址范围内，存放操作系统
  2. 用户区：存放所有用户程序

3.1 简单固定分区

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  1. 用户区划分成长度不等的固定长的分区
  2. 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（如何分配分区很重要）
  3. 优点：简单
  4. 缺点：浪费主存空间

3.2 可变长分区

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  1. 用户区按每个任务所需要的内存大小进行分配
  2. 优点：提高了主存的利用
  3. 缺点：时间越长，存储器中的碎片就会越多

4. 分页(Paging)

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  1. 目的：减少碎片的产生
  2. 基本思想
    1. 把主存分成固定长且比较小的存储块，称为页框（page frame），每个任务也被划分成固定长的程序块，称为页（page）
    2. 将页装入页框中，且无需采用连续的页框来存放一个任务中所有的页
  3. 逻辑地址：指令中的地址
  4. 物理地址：实际主存地址
  5. 程序叫做页，放程序的地点叫做页框
    • 页放在哪里由OS决定，在我们的程序中写的是逻辑地址，由操作系统的决定物理地址。
    • 页放进去并不是连续的放入，页表记录页存在的位置
  6. 分页:将内存分成固定大小的页框，将需要存储成页，寻找空的页框放入(空的即可，因为一样大)，这样做会导致程序的不连续性，但是有页表来记录地址。

5. 虚拟内存（Virtual Memory）

  1. 基本思想
    1. 请求分页：仅将当前需要的的页调入主存
      1. 通过硬件将逻辑地址转换为物理地址
      2. 未命中时（需要的页不在主存中）在主存和硬盘之间交换信息
  2. 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
      1. 程序员认为可以独享一个连续的、很大的内存
    3. 可以在大于物理内存的逻辑地址空间中编程

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  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，我们移动到memory中去。
  2. 存储是否被加载到物理内存中，如果被加载进入物理内存，则是物理地址。如果没有在里面则在Disk中
    1. 如果已经满了，我们就使用替换策略进行替换。
  3. 内存中有的，Disk中也有的，因为是拷贝关系

5.1 设计问题

  1. 页大小
    1. 4KB, 8KB, …
  2. 映射算法
  3. 写策略
  4. 类型
    1. 分页式虚拟存储器
    2. 分段式虚拟存储器
    3. 段页式虚拟存储器

5.1.1 分页式虚拟存储器

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  1. 主存储器和虚拟地址空间都被划分为大小相等的页面

    1. 虚拟页（virtual page，VP）/ 逻辑页（logical page）：虚拟地址空间中的页面
    2. 物理页（physical page，PP）/ 页框（page frame）：主存空间中的页面

  2. 页表

  3. 页表中包含了所有虚拟页的信息，包括虚拟页的存放位置、装入位（valid）、 修改位（dirty）、存取权限位等等

  4. 保存在主存中

  5. 虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移量

    1. 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

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  6. 每一个条目(虚拟页中):位置信息(物理页号、指向硬盘指针、null表示还没有被使用)、脏位(减少对磁盘的访问)、有效位(有无被加载到物理内存中)、读写权限

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    1. 如果虚页已经载入到了物理内存中，我们就要记录它的物理地址(location,valid(使用位) = 1)
    2. location上用红字写的指针，的存储的是指向硬盘(虚拟内存中)的指针
    3. location == null:表示磁盘里面没有,而不是内存中没有
    4. 虚拟页号比物理页号要大一些，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

  7. 如果location的长度是不同的(null，物理页号，指针)，那么我们必须按照最长的部分来等长存储

  8. 可以把页表放置到Cache中(但是是放置比较常用的页表的行)

5.1.2 快表（Translation Lookaside Buffer， TLB）

页表在主存中，每次访问主存都需要查页表 Cache不就失效了吗？

  1. 为了减少访存次数，把页表中最活跃的几个页表项复制到高速缓存（TLB中有的页，则一定会在主存里有）
  2. 后备转换缓冲器（简称“快表”）：将页表项放入高速缓存中
    1. 映射：关联映射，组关联映射
    2. 替换：随机替换
  3. 主存中的页表相应地称之为“慢表”

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  1. CPU访存过程（看上去很复杂，其实随便看看就能理解了）

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VA：虚拟地址

PA：物理地址

有需要将虚拟页号(VA)根据页表(Page table)转换到物理页号(PA)中去

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  1. cache是内存的拷贝
  2. TLB miss的情况下只是比hit的情况多一次内存访问
  3. TLB、页表valid表示在内存中

5.1.3 分段式虚拟存储器

  1. 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
  2. 虚拟地址：段号 + 段内偏移量
  3. 与分页式虚拟存储器相比
    1. 分页式虚拟存储器（页对程序员不可见）
      1. 优点：实现简单、开销少
      2. 缺点：一个数据或一条指令可能会分跨在两个页面
    2. 分段式虚拟存储器（段对程序员可见）
      1. 优点：段的分界与程序的自然分界相对应，易于编译、管理、修改和保护
      2. 缺点：段的长度不固定（引起碎片）

5.1.4 段页式虚拟存储器

  1. 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
  2. 虚拟地址 = 段号 + 页号 + 页内偏移量
  3. 优点：程序按段实现共享与保护
  4. 缺点：需要多次查表
大二上, 计算机组织结构
课内笔记 大二上 计算机组织结构
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