计算机组成原理-L011-vm

计算机组成与实践 -虚拟存储器（Virtual Memory）

一.简介

存储器的存储容量可能小于可寻址空间

• 32-bit地址可以寻址4GB空间
• 内存地址可能只有1GB

系统可以同时运行多个程序，如果这些程序运行所需的存储空间大于实际内存容量，系统该如何运行？

术语：

• 运行的程序称为一个进程（process）或线程（thread）
• 操作系统控制进程

虚拟存储器（Virtual Memory）

• 将主存用作辅助存储器的高速缓存的技术
• 程序拥有自己的虚拟地址空间，存储频繁访问的代码与数据
• 根据局部性原理而设计

虚拟存储器优势：

​ 运行时，CPU和OS将虚拟地址（Virtual Address）转换成物理地址（Physical Address）

​ 实现多个程序共享存储器

​ 允许运行超过主存容量的程序

​ 代码重定位（Code Relocation）：代码可以加载进内存的任何地方

例子：从存储层次结构来看

• 假设内存容量为1GB，此时已经使用了1GB容量，在程序运行时需要额外的存储空间
• 把内存中的一块数据（100MB）移出到硬盘
• 此时，内存有100MB的空闲（free）存储空间
• 如果稍后，需要使用被替换出去那块数据
• 需要把内存中其他的数据块移出到硬盘，以获得100MB的空闲存储空间将原来的数据载入

两个程序共享物理存储

程序的地址空间被划分成页（pages）或片段（segments）

虚拟存储器架构

部分进程临时存放在硬盘，一旦需要运行就载入内存

载入由操作系统执行，应用程序不需要知道虚拟存储器的存在

存储管理单元（MMU）将虚拟地址转换成物理地址

二.虚拟存储器

地址转换

存储器的数据传输单元为页（page）

• 页大小：4KB ~ 16 KB
• 与缓存块大小设计类似
• 页太小：花费较长时间在磁盘寻址页
• 页太大：页中部分存储空间空闲

在磁盘中寻址数据需要花费较长时间，一旦找到数据，能以每秒几MB的速度进行数据传输

如果页太大，页中部分存储空间空闲，造成内存中很大一部分存储空间的浪费

• 虚拟地址到物理地址的转换由软硬件协同完成
• 存储访问请求首先需要进行地址转换
• 处理器请求的虚拟地址：
  • 高位字段代表虚拟页号（virtual page number）
  • 低位字段代表页偏移（page offset）

页表映射

页表（Page Table）
保存着虚拟地址和物理地址之间转换关系的表 Ø以虚拟页号为索引 Ø指向页表首地址的寄存器：页表寄存器（ page table register ） 页在内存中：页表中的对应项将包含虚页对应的物理页号及状态信息 页不在内存中：页表可以指向磁盘的交换区（swap space）中的地址

缺页（page fault）代价

• 缺页时需要从磁盘提取页到内存
  • 一次缺页处理将花费数百万个时钟周期
  • 由OS代码处理
• 缺页处理
  • 用发生缺页的虚拟地址找到PTE
  • 在磁盘中定位该页的位置
  • 在页表中选择一页进行替换
    • 如果选择的页为脏页，则先写回磁盘
  • 将该页读入内存，并更新页表
  • 恢复程序运行
• 最小化缺页率
  • 采用全相联映射
  • 优化的替换算法

页替换与写

• 降低缺页率，可以采用LRU替换策略
  • 采用引用位（Reference bit）或者使用位（use bit）表示对某一页的访问
  • 引用位由OS周期性的置0
  • 引用位为0表示该页最近没有使用
• 写磁盘需要百万个时钟周期
  • 采用写回机制
  • 页被写后脏页位置1

虚拟存储下的数据访问

程序每次访存至少需要两次

• 获得物理地址
• 获得数据

加快地址转换：TLB

• CPU中特殊的地址转换Cache：快表（Translation Look-aside Buffer，TLB）
• 减少页表访问

TLB

• 与cache设计类似，可以是全相联、组相联、直接映射
• 容量比cache小，因此访问速度比cache 块
• 一般不超过512表项
• TLB缺失
  • 如果页在内存中，缺失可以处理
    • 从内存中提取PTE到TLB
    • 可以由硬件处理
      • 更复杂的页表结构
    • 或者由软件处理
      • 采用特殊的异常处理程序
  • 如果页不在内存中，发生缺页（page fault）

TLB与Cache

结合TLB的事件组合

TLB/Cache缺失：页/块不在“缓存”中

缺页：页不在内存中

TLB	Page Table	Cache	是否可能发生？何种情况下发生？
Hit	Hit	Hit	是，全部命中是最好的情况
Hit	Hit	Miss	是，查找TLB找到物理地址后，缓存缺失
Miss	Hit	Hit	是，TLB缺失但能从页表找到物理地址
Miss	Hit	Miss	是，TLB缺失但能从页表找到物理地址，缓存缺失
Miss	Miss	Miss	是，缺页
Hit	Miss	Miss/ Hit	否，TLB保存了页表的部分表项，不存在表项在TLB而不在页表的情况
Miss	Miss	Hit	否，如果缺页，数据不在内存，因此不可能在缓存

四.小结

存储器层次结构

• 存储器层次结构共用许多原理
• 每个存储层次需要解决以下问题：
  • 数据放置问题
  • 如何查找数据
  • 发生缺失时的替换策略
  • 写操作机制

虚拟地址保护

• 程序可以共享部分虚拟地址空间
  • 需要防止非法修改和访问
  • 需要OS支撑
• 需要硬件支撑
  • 支撑两种模式：用户态和内核态
  • 内核态指令
  • 页表和其他状态信息只能在内核态访问
  • 系统调用提供两种模式间的切换

小结

虚拟存储器是管理主存和磁盘之间数据缓存的一级存储器层次

允许单个程序在主存有限的容量内扩展地址空间

支持多个活跃的进程共享主存

需要将虚拟地址转换成物理地址