虚拟存储器

虚拟存储器

1. 虚拟存储器的基本概念

基本定义

虚拟存储器：

• 将外存空间扩展为主存空间
• 程序可以访问比物理内存更大的地址空间
• 实现内存管理的自动化

虚拟地址：

• 程序使用的地址
• 逻辑地址空间
• 比物理内存大

物理地址：

• 实际内存中的地址
• 物理地址空间
• 受物理内存限制

工作原理

地址转换：

• 虚拟地址转换为物理地址
• 通过页表或段表实现
• 硬件和操作系统协作

按需调入：

• 程序运行时按需调入页面
• 减少内存占用
• 提高内存利用率

页面置换：

• 内存不足时置换页面
• 选择合适页面换出
• 保证程序正常运行

虚拟存储器的优势

扩大地址空间：

• 程序可以使用比物理内存更大的地址空间
• 支持大型程序运行
• 简化程序开发

提高内存利用率：

• 多个程序共享物理内存
• 减少内存浪费
• 支持多任务运行

简化内存管理：

• 操作系统自动管理内存
• 程序员无需关心内存分配
• 提高开发效率

2. 页式虚拟存储器

基本概念

页面：

• 虚拟地址空间的基本单位
• 固定大小的内存块
• 通常为 4KB 或更大

页框：

• 物理内存的基本单位
• 与页面大小相同
• 存储页面的物理位置

页表：

• 记录虚拟页面到物理页框的映射
• 每个进程有自己的页表
• 存储在内存中

页表结构

页表项：

• 页框号：物理页框的地址
• 有效位：页面是否在内存中
• 保护位：页面的访问权限
• 修改位：页面是否被修改
• 引用位：页面是否被访问

多级页表：

• 减少页表占用的内存
• 支持大地址空间
• 按需分配页表

地址转换过程

基本步骤：

1. 提取虚拟页号
2. 查找页表项
3. 检查有效位
4. 计算物理地址

页表查找：

• 使用虚拟页号作为索引
• 在页表中查找对应项
• 获取物理页框号

地址计算：

• 物理地址 = 物理页框号 × 页面大小 + 页内偏移
• 页内偏移 = 虚拟地址 mod 页面大小

3. 段式虚拟存储器

基本概念

段：

• 逻辑上相关的数据集合
• 可变大小的内存块
• 如代码段、数据段、堆栈段

段表：

• 记录段号到物理地址的映射
• 包含段基址和段长度
• 支持段的动态增长

段表结构

段表项：

• 段基址：段在物理内存中的起始地址
• 段长度：段的大小
• 有效位：段是否在内存中
• 保护位：段的访问权限

地址转换过程

基本步骤：

1. 提取段号
2. 查找段表项
3. 检查段内偏移
4. 计算物理地址

段表查找：

• 使用段号作为索引
• 在段表中查找对应项
• 获取段基址和段长度

地址计算：

• 物理地址 = 段基址 + 段内偏移
• 段内偏移 = 虚拟地址 - 段起始地址

4. 段页式虚拟存储器

基本概念

段页式：

• 结合段式和页式的优点
• 先分段，再分页
• 支持段的动态增长和页面置换

地址结构：

• 段号：标识段
• 页号：段内页面号
• 页内偏移：页面内字节地址

地址转换过程

基本步骤：

1. 提取段号，查找段表
2. 提取页号，查找页表
3. 计算物理地址

两级查找：

• 第一级：段表查找
• 第二级：页表查找
• 结合两种方式的优点

5. TLB（快表）

基本概念

TLB：

• Translation Lookaside Buffer
• 地址转换缓存
• 加速地址转换过程

工作原理：

• 缓存常用的地址转换结果
• 减少页表查找次数
• 提高地址转换速度

TLB 结构

TLB 项：

• 虚拟页号：虚拟地址的页号
• 物理页框号：对应的物理页框号
• 有效位：TLB 项是否有效
• 保护位：访问权限

TLB 组织：

• 全相联：查找速度快
• 组相联：平衡速度和成本
• 直接映射：实现简单

TLB 工作过程

TLB 查找：

1. 提取虚拟页号
2. 在 TLB 中并行查找
3. 如果命中，直接使用结果
4. 如果未命中，查找页表

TLB 更新：

• 页表更新时同步更新 TLB
• 使用写直达或写回策略
• 保证 TLB 一致性

TLB 性能优化

TLB 命中率：

• 提高 TLB 命中率
• 减少页表查找次数
• 优化程序访问模式

TLB 大小：

• 增加 TLB 容量
• 缓存更多转换结果
• 平衡成本和性能

练习题

练习 1

TLB 的作用是什么？

练习 2

页式虚拟存储器和段式虚拟存储器有何区别？