(计算机组成原理)第三章存储系统-第七节1：页式存储器页表及快表

Posted 2021-09-17 快乐江湖

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• 一：页式存储器
• 二：逻辑地址和物理地址
• 三：页表和地址变换过程
• • （1）页表
  • （2）快表

一：页式存储器

前面说过主存和Cache之间是以块作为数据的传输单位的

我们知道，应用程序运行时需要加载进主存。比如说微信，假如它有1GB大小，那么想要在主存中找到连续的1GB空间是很困难的，并且就算加载进去了，也会极大的破坏主存的利用率，产生很多碎片

因此为了提高主存利用率，可以将程序（所谓程序就是数据、指令的集合体）分为一个个大小相同的“页”，每个页面的大小和“物理块”的大小是相同的。给每个页面编号后，就可以分散在主存中

所以页式存储系统是这样的：一个程序（操作系统中称为进程）在逻辑上被分为若干大小相同的“页面”，“页面”大小与“块”大小相同，每个页面可以离散地放入不同的主存块

• 页面的划分属于逻辑角度，主存和Cache块的划分属于物理角度

二：逻辑地址和物理地址

• 逻辑地址：程序员视角中看到的地址
• 物理地址：数据在主存中真实的地址、

我们编写程序时，所操作的数据其显示的地址均为虚拟地址，真实的地址需要操作系统进行映射。那么为什么需要虚拟地址呢？

早期的计算机启动进程时，会将进程或程序所包含的东西全部加载进内存，而且访问的就是真实的物理内存

但是这种粗暴的操作有很大弊端，比如说经典的野指针问题在这种情况下就很容易产生，而且进程在运行中会产生大量数据，这些数据一旦不能连续存放，就会另外开辟空间，这无疑增加了异常访问的情况

所以计算机设计者意识到了这种模式缺陷，想到了一种方法：增加一个中间层，利用中间层映射物理内存。程序访问内存时不直接访问物理内存，先访问中间层，如果中间层访问没有问题，那么操作系统就会将中间层映射到物理层，完成正常执行

一个进程创建之后，操作系统会为这个进程分配一个专属于它的大小为4GB的虚拟进程地址空间（4GB是因为32位系统中，指针是4个字节），与它相对的是一片真实的物理地址空间，操作系统在映射虚拟内存时只会映射到那一片物理空间，而且需要特别注意这个虚拟空间并不是真的有4GB，它只是虚拟的 。由于每一个进程都有自己的虚拟的进程地址空间，所以它只能访问自己的进程的数据，这样做实现了隔离，也就是进程之间的相互独立。并且把虚拟地址空间划分为这样，那样的区，这样的话也能解决数据的连续存放

操作系统负责分页操作，该过程对程序员是不可见的

站在程序员的视角上，对于一个打包好的4KB程序，我们肯定是知道它的大小的，由于4KB=$2^{12}B$，因此可以编址，其范围为：000000000000~111111111111
假设该程序中有一个变量$x$的逻辑地址为：001000000011，另外一个变量y的逻辑地址为：110000001010

在学习第一章时，我们知道取变量$x$到$ACC$寄存器的操作对应的机器指令是：000001 001000000011，分别对应操作码和地址码（逻辑地址），我们指明的仅仅是一个相对的地址，并不是说$x$的地址真的就在那里。

每个页的大小是1KB。也就是2${}^{10}$B，因此可以将变量$x$的逻辑地址分为两个部分：一个表示页号，一个表示页内地址，其中页内地址的大小取决于每个页面的大小，如果是1KB，那么就需要10个比特位

因此$x$的逻辑地址：001000000011就表示它在第0页，而$x$的真实的物理地址可以用该页所在的主存的块号（12位）+页内地址表示

• 此例中，第0页放在了主存的第2块，因此$x$的真实地址为：0000000000101000000011

三：页表和地址变换过程

（1）页表

所以我们见到的地址均为虚拟的地址，给出逻辑地址后，操作系统必须将其转化为真实的物理地址再进行访存，其中最基本的一个操作就是把页号映射为块号，所以为了记录这样的映射关系，操作系统会建立一张页表

值得注意的是，页表中存放的数据是保存在主存中的，因此进行地址转换时还要要进行访存操作

地址的变化过程大致如下

• 拆分逻辑地址为页号和页内地址
• CPU中的页表基址寄存器指明了页表在主存中的存放位置（以地址为1058为例，就表示当前运行的程序其所对应的页表是从1058后的存储单元开始存储的，由于每个页表项的大小相同，所以只需顺次读取即可）
• 查询页表找到逻辑页面对应的主存块
• 块号+页内地址=物理地址
• 进行访存操作（Cache未命中时进入主存）

（2）快表

依据程序执行的局部性原理，在一段时间内总是经常访问某些页时，若把这些页对应的页表项放在一个高速缓冲器中，称之为页表（TLB）中，则明显可以提高效率，相应地把放在主存中的页表称为慢表（Page）

相应地在进行地址转换时，首先查快表人，若命中，则无需访问主存中的页表；否则查询主存中完整的页表，查询之后为了以后便于访问将其加入到快表中

结合之前的Cache，整个访存操作可以是如下流程