(41)--3.6.1 虚拟存储器的基本原理.ppt

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1、3.6.1 虚拟存储器的基本原理1.虚拟存储器的基本概念 1961年，英国曼彻斯特大学的Kilburn等人提出了虚拟存储器的概念。经过20世纪60年代初到70年代初的发展完善，虚拟存储器已广泛应用于大中型计算机系统。目前几乎所有的计算机都采用了虚拟存储系统。虚拟存储器是“主存辅存”层次体系进一步发展的结果。它由价格较贵、速度较快、容量较小的主存储器和一个价格低廉、速度较慢、容量很大的辅助存储器（通常是硬盘）组成，在系统软件和辅助硬件的管理下，就像一个单一的、可直接访问的大容量主存储器。CPU主存主存外存M3M2CacheM1Cache虚拟主存1.虚拟存储器的基本概念 2）更大的虚拟内存地址空间

2、，支持更大应用程序运行1）通过工程设计有效扩展主存的容量，同时满足低成本要求高速度高速度大容量大容量永久性永久性大容量大容量主存主存4）程序部分装入主存即可运行，提高主存的利用率5）透明性：硬件实现 V.S.软件实现 3）支持更多应用程序并发运行，并且保证不同程序地址空间的 逻辑独立性000000000001000010000011000100000101000110000111001000001001.程序逻辑地址逻辑地址（虚拟地址），是指访问各个程序独立虚拟空间的地址。指令中给出的地址码是按逻辑地址空间来统一编址的。物理地址又称实存地址，是指访问主存空间的地址。主存物理地址00000000

3、0100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011111000010001100101.虚拟存储器的基本概念 依据程序运行的局部性原理，程序只需要局部地装入主存便可运行了，只是在后续的过程中将未运行的程序进一步陆续装入主存被CPU执行来得到正确的结果。2.虚拟存储器的设计依据 保证程序执行的逻辑顺序 因为程序的正确执行是由程序员编写的程序的逻辑顺序（即逻辑地址）来保证的，当程序局部装入主存后，就应该保证CPU在主存中执行这些局部装入的程序时，每条指令的顺序与之前未装入主存的完整程序的逻辑顺序完全一致。3.

4、虚拟存储器需要解决的问题 程序逻辑地址与主存物理地址的映射关系 1、对于单道程序，逻辑地址空间小于主存物理地址空间，程序可完全装入主存运行。但装入主存后，逻辑地址与物理地址可一致，也可以不一致。如不一致，如何保证程序的执行顺序？2、对于单道程序，逻辑地址空间大于主存物理地址空间，程序不能完全装入主存。如何保证程序的执行顺序？3、对于多道程序，每道程序的逻辑地址空间显然不能与主存物理地址空间一致，且每道程序是否否全部装入主存也是未知。如何保证程序的执行顺序？3.虚拟存储器需要解决的问题 页式虚拟存储器 段式虚拟存储器段页式虚拟存储器 根据采用的存储映射算法的不同，可将虚拟存储器的管理方式分成：4

5、.虚拟存储器的管理方式 在页式虚拟存储系统中，单个程序的虚拟空间被分成大小相等的页，称为逻辑页或虚页。主存空间也被分成同样大小的页，称为物理页或实页。相应地，虚拟地址分为两个字段：高位字段为虚页号，低位字段为页内地址（页内偏移地址）。实存地址也分为两个字段：高位字段为实页号，低位字段为页内地址（页内偏移地址）。页的大小都取2的整数幂个字，并且边界对齐。5.页式虚拟存储器 页号页号+页内地址页内地址逻辑地址=虚页号+页内地址物理地址=实页号+页内地址0000000001000100001100100001010011000111010000100101010010110110001101A4A0

6、000 11000 00000 01000 10第第0页页001 01001 10001 11第第1页页001 00010 01010 10010 11第第2页页010 005.页式虚拟存储器 逻辑地址、物理地址均划分为：虚、实页号+页内地址2n个存储单元划分为一页，边界对齐物理地址物理地址0000000000000100000100000011000010000001010000110000011100010000001001000101000010110001100000110100011100001111000000000001000010000011000100000101000110000111001000001001.逻辑地址逻辑地址地址映像页内地址 实页号0100010地址变换页表和页表基址寄存器CPU000000010逻辑页号物理页号 CPU页式虚拟存储器的虚实地址变换过程页表基址寄存器（页表基地址）虚页号页内地址虚拟地址实页号页内地址实存地址虚页号页表（在主存中）主存页面号5.页式虚拟存储器 页表存放程序完整的虚页号和主存页号的映射关系。使用快表和慢表实现虚实地址变换过程虚页号页内地址虚拟地址实页号页内地址实存地址虚页号实页号实页号慢表（主存中）快表（按内容访问）控制位快表中查到快表不命中按地址访问5.页式虚拟存储器快页表和慢页表 类似Cache技术