计算机组成原理 RV$5.7虚拟存储器 llxx@ustc.edu.cn
计算机组成原理 RV $5.7 虚拟存储器 llxx@ustc.edu.cn
本章内容 2》 √C0D5:第5.7节 网 √实地址方式Vs虚地址方式 √虚存技术动机 √页式虚存管理原理 √页式虚存管理设计 √TLB √/MMU √层次化：Cache-TLB-Memory-Disk √缺页异常处理 u
本章内容 ✓COD5：第5.7节 ✓实地址方式 vs 虚地址方式 ✓虚存技术动机 ✓页式虚存管理原理 ✓页式虚存管理设计 ✓TLB ✓MMU ✓层次化：Cache-TLB-Memory-Disk ✓缺页异常处理
实地址访存：存储器物理地址 USTC Physical Memory Au Stack s SP MREQ Au A A Heap .. 2Kx8位 1Kx4位 IKx4位 Data Segment ROM RAM RAM . D D. D2 D D D PC Text Segment D D WR Operating System 不利于多任务（须预先划分每个程序占用的内存范围） 段式
实地址访存：存储器物理地址 不利于多任务（须预先划分每个程序占用的内存范围） 段式
虚拟存储器(Virtual memory） 1961年曼彻斯特大学提出 一内存容量：程序要求的存储器空间越来越大 ·模式一（少用）：虚存=主存+辅存 ·Overlay技术：程序分段，段长<内存大小；程序员负责换入换出 多道程序：代码和数据保护与共享存储 ·模式二：主存作为辅存（虚存）的Cache CPU 现代虚拟存储系统：模式二 主存 一 多用户多进程 辅助硬件和软件 一虚存：一种将主存作为辅存缓存的技术 辅存 ·虚存驻留于辅存，局部性原理 - 由MMU和OS存储管理器共同管理：对普通程序员透明 ·虚方式访存：重定位(relocation) 技术 ·页式（定长），段式（可变长），段页式
虚拟存储器（Virtual memory） • 1961年曼彻斯特大学提出 – 内存容量：程序要求的存储器空间越来越大 • 模式一（少用）：虚存= 主存 + 辅存 • Overlay技术：程序分段，段长 < 内存大小；程序员负责换入换出 – 多道程序：代码和数据保护与共享存储 • 模式二：主存作为辅存（虚存）的Cache • 现代虚拟存储系统：模式二 – 多用户多进程 – 虚存：一种将主存作为辅存缓存的技术 • 虚存驻留于辅存，局部性原理 – 由MMU和OS存储管理器共同管理：对普通程序员透明 • 虚方式访存：重定位（relocation）技术 • 页式（定长），段式（可变长），段页式
主存作为虚存的Cache:换入换 Virtual address space Physical address space 0x00000000 0x00010000 swap out 0□1☐2☐3☐ text 0x00000000 456古7己 program A 8☐9☐10☐11☐ 0x10000000 12☐13☐14☐15☐ data swap in 16☐171819 program 20☐21☐22☐23■ B 磁盘交换区(swap space) MainMemory 换入/换出时机？ Ox00ffffff Demand Paging策略 stack Bring a page into memory page belonging to process only when it is needed Ox 71fff page not belonging to process 1.Less 1/O needed 2.Less memory needed 3.Faster response 4.More users
主存作为虚存的Cache：换入换出 磁盘交换区（swap space） 换入/换出时机？ Demand Paging策略 Bring a page into memory only when it is needed 1. Less I/O needed 2. Less memory needed 3. Faster response 4. More users
主存作为虚存的Cache:页表 USTC 0 1 2 虚存：在辅存中 valid-invalie3 磁盘交换区 0 A frame bit swap space 分页：虚实页大小相等。 4 A B 全相联：虚页可在内存的任意 0 4 5 位置 6 虚实映射：按页表查找 2 6 页表：在内存中。大小？ 3 E 4 8 写操作：写回。一致性？ 5 8 F OS在创建进程时，为其建立 6 G 10 7 页表和磁盘上的VA空间。 H 11 由OS+MMU管理，对程序员 12 logical memory 和编译器透明！ 13 14 15 PhysicalMemory *Valid--Invalid(PRESENT,pagefault),reference(替换)，dirty
主存作为虚存的Cache：页表 虚存：在辅存中 分页：虚实页大小相等。 全相联：虚页可在内存的任意 位置 虚实映射：按页表查找 页表：在内存中。大小？ 写操作：写回。一致性？ OS在创建进程时，为其建立 页表和磁盘上的VA空间。 由OS+MMU管理，对程序员 和编译器透明！ *Valid-Invalid(PRESENT，pagefault)，reference（替换），dirty 磁盘交换区 swap space
虚实地址转换 内 Virtual address 3130292827 …15141312111098…3210 Virtual page number Page offset 虚页大小=内存页卡磁盘块(n扇区) Block/frame/page/sector Translation 292827 15141312111098… 3210 Physical page number Page offset Physical address 图5-26
虚实地址转换 虚页大小＝ 内存页＝ 磁盘块（n 扇区） Block/frame/page/sector 图5-26
页表：虚实映射，权限控制 VIrtual page 由OS为进程创建和维护 number RV FIGURE 5.28 Page table -存储于内存中OS地址空间 Physical page or Physlcal memory ·普通用户无法访问 Valid disk address 一页表基址寄存器PTBR PTE格式：page table entry -控制位VCD: ● ● ·Valid:装入，缺页异常 DIsk storage -未装入页：disk地址 ·Ref/used/Count ·Dirty -Access Rights:非法异常 M盘机号 柱面号 磁头号扇区号 read/write/modify/exe 。 页共享保护（限制其他进程权限） 一} 物理页地址 page frame number(PFN) ·Disk address 外页表(disk map) VPN(虚页号)is the index of PT M:装入位(mount),指示是否已从第二级辅 存（离线）中装入
页表：虚实映射，权限控制 • 由OS为进程创建和维护 – 存储于内存中OS地址空间 • 普通用户无法访问 – 页表基址寄存器PTBR • PTE格式：page table entry – 控制位VCD： • Valid：装入，缺页异常 – 未装入页：disk地址 • Ref/used/Count • Dirty – Access Rights：非法异常 • read/write/modify/exe • 页共享保护（限制其他进程权限） – 物理页地址 • page frame number (PFN) • Disk address • VPN（虚页号）is the index of PT 外页表（disk map） M：装入位（mount），指示是否已从第二级辅 存（离线）中装入 RV FIGURE 5.28
多进程 》 A大 A virtual address ·进程状态 page number offset PC+GPRs+SP+PTBR 1 0 0 0 1 1 进程切换 2 3 3 3 -更新PTBR Address Space Page Table of User-1 of User-1 2 User 1 VA1 os pages Page Table User 2 VA1 Page Table User 3 VA1 Page Table free
多进程 • 进程状态 – PC+GPRs+SP+PTBR • 进程切换 – 更新PTBR
多进程：隔离，保护 》 A大 0 1516 31 Virtual Address Page Index Offset Multiple Virtual Address Process Virtual Address Virtual Address Virtual Virtual Address 0 1516 31 Address Physical Page Offset Referenced Data Ranges Physical Address 3 Virtual Address Page Virtual Address Index Virtual Address Physical 大6055 Virtual Address Page Permissions One Virtual Physical Memory Address Range Per Process 隔离：基于页表的虚实地址映射机制(PTBR) 保护： Page Table 1)CPU运行模式：用户态，系统态； 2)页表位于OS地址空间，防止用户进程修改： 3) 页访问权限(Access rights):页共享。只能OS更改。非法访问异常
多进程：隔离，保护 隔离：基于页表的虚实地址映射机制（ PTBR ） 保护： 1）CPU运行模式：用户态，系统态； 2）页表位于OS地址空间，防止用户进程修改； 3）页访问权限（Access rights）：页共享。只能OS更改。非法访问异常