计算机组成原理3.7虚拟存储器

Posted 2021-05-14 盛凯文

3.7.1虚拟存储器概念

3.7.2页式存储器

主存和Cache之间是分块映射存储，同样，利用局部性原理，也可以将主存和辅存之间进行分块映射存储。
举个粒子，假如现在使用微信文字聊天，该部分程序占用大小了4KB的空间，那么可以分为大小位1KB的四块，分别映射存储到主存中。如下图，
分页式存储，在这个问题中就是把程序进程逻辑上大小相等的四块页面，每个页面大小与主存块大小相等，可以离散的存储到主存块中。
那么，4KB的程序被拆分成四块存储到主存后，要如何执行该程序呢？这个问题留到3.7.3.3部分来回答。

3.7.3页式虚拟存储器

3.7.3.1页表

虚拟存储，如上文提到的微信文字聊天，假设微信程序大小1GB，主存大小只有512MB，在文字聊天时候不需要把全部的微信程序相关数据调入到主存，只调入需要的4KB，剩余的空间可以继续调用其他程序进程，512MB大小的主存可以运行许多个1GB的程序，这就是虚拟存储。
关于分页式虚拟存储，依然借用学习讲义里的图片，
逻辑页号：记录程序数据在逻辑地址的哪一块地址页中。
主存块号：记录程序数据在主存储器的哪一块主存中，与逻辑页号有映射关系。
外存块号：记录程序数据在辅存的哪一块。
有效位：初始化位0，记录某一块程序数据所在的逻辑页面是否被调用到主存中，若是为1，若否为0。
访问位：初始化为0，记录某块程序数据被访问的次数，用访问位帮助实现页面替换，需要替换时优先淘汰访问位记录数较小的。
脏位：初始化为0，发生数据修改时变为1。

举个粒子，假设要访问逻辑页号为1的数据，则从页表中找到对应的对应逻辑页号，有效位是1，则直接根据映射访问主存块号位2的主存块，并且访问位+1。假设访问逻辑页号为3的数据，根据页表找到逻辑页号，有效位是0，主存中没有数据，则需要到辅存中找到外存块号为d的存储块，将数据调入到主存中，有效位修改为1，访问位+1；若对该块数据进行修改，则脏位0变1，这一块数据被替换掉时，需要把数据写入辅存。
这一部分主存和辅存的关系，与Cache和主存的关系类似。

3.7.3.2快表(TLB)

与Cache和主存的关系类似，利用程序局部性原理，访问的某块数据，如上文的4KB程序进程，可能会在未来一段时间内继续访问。将刚访问过的页表复制一份，放入用SRAM制作的更高速存储器中，后续将逻辑地址转换成物理地址时直接访问快表。与Cache类似，快表也需要替换算法，这需要学习OS才能明白。

3.7.3.3关于页式虚拟存储器执行过程

先把关于页表的详细工作流程贴上来。

这里需要先了解一个定义，页表基址寄存器。CPU中，每一个进程都有一个页表基址寄存器，存储相应进程的页表首地址，页表首地址对于页表相当于数组首地址对于数组的关系。

举个粒子，假设一台小型计算机，Cache为8KB，主存为4MB，辅存为1GB。要调用4KB=2¹²B的聊天小程序，程序中有一个变量X的逻辑地址是001000000011。
现在需要其中的2KB=2¹¹B文字聊天进程，CPU中页表基址寄存器寻找页表，根据页表将程序逻辑地址转换成物理地址，根据物理地址同时从Cache和主存中寻找，由于是第一次调用该程序，因此Cache未名中，因此CPU会继续到主存中寻找，从辅存中把所需数据调用到主存，再把2KB的数据从主存复制一个数据副本到Cache中，提供CPU调用程序。下图是整体流程，

题目中已知4KB数据，假设分成大小相同的四块逻辑页面，其中2KB被调用，4MB主存块号的块内地址和逻辑页面的页内地址，地址长度相同，因此逻辑页面和块内地址的详细分配分别是，

题目中已知001000000011是程序变量X的逻辑地址，逻辑页面的页内地之长度为10位，因此逻辑地址后10位存入逻辑页面，前两位00作为页号。主存块的块内地址与逻辑页面的页内地之是一样的，因此根据主存块块号与页内地址拼接出最终需要的物理地址。

3.7.4段式虚拟存储器

段式虚拟存储的具体实现需要在OS中学习，这里不再赘述。

3.7.5关于Cache和虚拟存储器的比较

虚拟存储由主存和辅存完成，需要操作系统和硬件共同完成，Cache由硬件实现。
虚拟存储器解决存储容量不足的问题，Cache解决CPU和主存速度部匹配的问题。
两者的替换算法思想相同，且有依据了程序局部性原理，两者都有价格、容量、速度的梯度。

3.7.6段页式虚拟存储

段页式虚拟存储器和段式虚拟存储器的部分会在OS中详细讲解，需要等待后续更新。