计算机组成原理：3.7虚拟存储器_实页号如何转为虚页

3.7虚拟存储器

思维导图

虚拟存储器的基本概念

虚拟存储器将主存或辅存的地址空间统一编址，形成一个庞大的地址空间，用户可以在里面进行自由编址，而不需要在乎实际的主存容量和程序存放的位置

虚拟地址比实际地址大

过程

• CPU使用虚地址时，由复制硬件扎到虚地址和实地址之间的对应关系，并判断虚地址对应的存储单元是否已装入内存。

  • 如果已装入内存：通过地址变换，cpu可以直接当我主存指示的实际单元
  • 如果不存在主存中：则把包含这个字的一页或一段调入主存后再由CPU访问
  • 如果主存已满，采用替换算法置换主存的一页或一段

页式虚拟存储器

以页为基本单位的虚拟存储器称为页式虚拟存储器。

虚拟地址=虚页号+业内地址

页表（将虚拟地址转换到物理地址）：是一张存放在主存中的虚拟号和实页号的对照表，记录程序的虚页调入主存时被安排在主存中的位置。页表一般长久地保存在内存中。

组成：

• 有效位（装入位）

  • 表示对应页面是否在主存

    • 1：则表示该虚拟页已从外存调入主存，此时页表项存放该页的物理页号
    • 0：没有调入主存，此时页表项可以存放该页的磁盘地址

• 脏位（修改位）

  • 表示页面是否被修改过
  • 虚拟机制采用写回策略
  • 利用脏位可判断替换时是否需要写回磁盘

• 引用位

  • 设置替换策略

优缺点：

• 优点：页面的长度固定，页表简单，调入方便。
• 缺点：由于程序不可能正好是页面的整数倍，最后一页的零头将无法利用而造成浪费，并且页不是逻辑上独立的实体所以处理、保护和共享都不及段式虚拟存储器方便

快表（TLB）：加快地址转换

把经常访问的页表放入高速缓冲存储器中（快表）

地址转换时先查找快表

快表通常采用全相连或组相联方式

TLB项由页表内容+一个TLB标记字段

• TLB标记的内容

  • 全相联：该页表项对应的虚页号
  • 组相联：虚页号的高位部分，而虚页号的低位部分用于选择TLB的组索引（操作系统3.2.7）

具有Cache和TLB的虚拟存储系统中，CPU一次访存操作可能涉及TLB，页表，Cache 、主存和磁盘的访问。

CPU访问过程中存在三种缺失情况

• TLB缺失：要访问的页面对应的页表项不在TLB中
• Cache缺失：要访问的主存快不在Cache中
• 缺页Page:要访问的页面不在主存中

段式虚拟存储器

按照程序的逻辑结构划分，各段长度因程序而异

虚拟地址：段号、段内地址

变换：虚地址到实地址由段表实现

过程：CPU根据虚拟地址访存时，首先根据段号与段表基地址拼接成对应的段表行，然后根据该段表行的装入位判断该段是否已调入主存（装入位为“1”，表示该段已调入主存；装入位为“0”，表示该段不在主存中）。已调入主存时，从段表读出该段在主存中的起始地址，与段内地址（偏移量）相加，得到对应的主存实地址。

优点：段的分界与程的自然分界相对应，因而具有逻辑独立性，使得它易于编译、管理、修改和保护，也便于多道程序共享

缺点：因为段长度可变，分配空间不便，容易在段间留下碎片，不好利用，造成浪费

段页式虚拟存储器

程序按逻辑结构分段，每段再划分为固定大小的页，主存也划分为大小相等的页

程序对主存的调入调出以页为基本单位

每个程序对应一个段表，每段对应一个页表，段的长度是页长的整数倍，段的起点是某一页的起点

虚地址：段号、段内页号、页内地址

优点：兼具页式和段式虚拟存储器的优点，可以按段实现共享和保护

缺点：地址变换过程中需要两次查表，系统开销较大

过程：CPU根据虚地址访存时，首先根据段号得到段表地址；然后从段表中取出该段的页表起始地址，与虚地址段内页号合成，得到页表地址；最

虚拟存储器与Cache的比较

相同之处

不同之处