虚拟存储器 学习笔记

华科计组mooc

概述

虚拟存储器是建立在主存与辅存物理结构基础之上，由附加硬件装置以及操作系统存储管理软件组成的存储体系。

作用：解决主存容量不足的问题，为程序员提供比主存空间大的编程空间。

分类：

1. 页式虚拟存储器
2. 段式虚拟存储器
3. 段页式虚拟存储器

段式虚拟存储器

段是利用程序的模块化性质，按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立的部分。段作为独立的逻辑单位可以被其他程序段调用，形成段间连接，产生规模较大的程序。一般用段表来指明各段在主存中的位置。

优点	缺点
段的分界与程序的自然分界相对应	在段间留下许多空余的零碎存储空间，造成浪费
段的逻辑独立性使它易于编译和维护，也便于多程序共享

页式虚拟存储器

虚地址和实地址

虚拟地址（又称逻辑地址）分为：

1. 高位字段为虚页号：与页表项数相关
2. 低位字段为页偏移量：与物理页大小相关

假设主存页大小为4K，虚存大小为4GB
4K= 2¹²，4GB = 2³²B ，则有：
页内偏移量 = log₂2¹² = 12位
虚拟页号 = log₂2³² - 12 = 20位，对应的页表有1024*1024项

实际的主存储器单元的地址称为实地址（又称物理地址）。实地址对应的是主存空间。
页式管理系统的信息传送单位是定长的页，主存的物理空间也被划分为等长的固定区域，称为页面。

虚页 / 逻辑页	虚拟空间分成的页
实页 / 物理页	实际空间分成的页

优点	缺点
比段式管理系统的空间浪费要小得多	页不是逻辑上独立的实体，处理保护和共享不如段式方便

虚拟地址到主存实地址的变换是由页表（Page Table）实现的，页表存储在主存中。对应的每一个虚页号有一个表目（Page Table Entry），页表是页表项的集合。

例

某计算机的虚拟存储系统有40位虚拟地址，32位实际地址，虚页1M。假定有效位，保护位，修改位和使用位共用去四位，所有虚页都在使用。计算页表大小和页面大小。

解：
因为虚拟存储系统有40位虚地址，32位实地址，虚页为1M，所以页内地址为 = log₂2²⁰ = 20

31 - 20	19 - 0
物理页号（12位）	页内地址（20位）

39 - 20	19 - 0
虚页面号（20位）	页内地址（20位）

页表的字长 = 物理页号位数 + 有效位、保护位、修改位和使用位共4位 = 16位。
页表的单元数 = 1M （2²⁰）
页表大小 = 1M × 16
页面大小 = 1M

TLB

访问主存次数多了，降低运行速度。
解决方案：把页表中最活动部分存放在一个小容量的高速存储部件中组成TLB（Translation Lookaside Buffer）

段页式虚拟存储器

段和页结合的存储管理系统。程序按模块分段，段内再页，主存仍以页为信息传送单位，用段表和页表进行两级管理。

优点	缺点
兼取段式和页式系统的优点	在地址映射过程中需要多次查表