计算机组成原理[袁春风]chap4-3.ppt

南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,1,4.7 虚拟存储器,操作系统概述 作业调度 存储器管理 交换 分区 分页 虚拟存储器,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,2,4.7.4 虚拟存储器,基本思想： 采用一种“请求分页(按需调页) ”的策略。 “请求分页”：当系统需要用到某个进程时，只是将其当前要用的那一页调进。而不是将该进程的所有页都调入。 “请求分页”的好处： 避免浪费：在进程被挂起前一小段时间内，根据程序访问的局部性原理，往往只有少量页被调用。若调入许多页的话，则造成资源浪费。 使程序不受主存容量的限制：按需调页就不需一次将进程的所有页都调入主存，否则，程序员还需知道内存有多大，以避免进程大于内存而调不下，也即：“程序员可在一个比主存空间大得多的虚拟存储空间（逻辑地址空间）里写程序”-这正是我们的目的！,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,3,虚拟存储器概念图,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,4,虚拟存储器中的三种地址,三种地址空间： 虚拟地址（空间）：也称逻辑地址空间，是应用程序员用来编写程序的地址空间。 主存地址（空间）：也称物理地址空间。是计算机系统实际拥有的内存容量和内存寻址范围。 辅存地址（空间）：外存储器（指硬盘等）的存储容量。它是虚拟存储器的实际存放空间。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,5,虚拟存储器系统,虚页空间,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,6,虚拟存储器系统,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,7,内部地址变换,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,8,外部地址变换,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,9,三种虚拟存储器管理模式,对于操作系统编制者，则需考虑： 主存与辅存的空间如何分区管理； 虚实之间如何映像 虚实地址如何转换 主存与辅存之间如何进行内容调换等。 与Cache所用策略相似。 在高档微处理器中，已将有关的存储管理硬件集成在CPU芯片之内，可以支持操作系统选用以下三种方式之一：页式、段式、段页式。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,10,4.7.4.1 分页式系统,主、辅存间的基本信息传送单位是固定长。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,11,分页组织,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,12,分页式系统的优缺点,优点： 实现简单，开销少。因为只有进程的最后一个零头不能利用全部页空间，故浪费很小。 缺点： 由于页不是逻辑上独立的实体，因此可能会出现如“一条指令跨页”等问题，使处理、管理、保护和共享等都不方便。 下面介绍的“分段方式”可解决上述问题。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,13,4.7.4.2 分段式系统,段的概念 段是利用程序的模块化性质，按照程序的逻辑结构划分而成的多个相对独立的部分。 例如，过程、子程序、数据表、阵列等 通常带有段名或基地址，便于程序员编写，也便于编译程序变换和操作系统调度管理。 段可作为独立的逻辑单位被其他程序段调用，以形成段间连接，产生规模较大的程序。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,14,4.7.4.2 分段式系统,分段系统的实现 主存空间按实际程序中的段来划分，每个段在主存中的位置记录在段表中，并附以“段长”项。 段表本身也是主存中的一个可再定位段。 因为段本身是程序的逻辑结构所决定的一些独立部分，因而分段对程序员来说是不透明的（而分页对程序员来说是透明的） 。 程序员或操作系统将程序模块或数据模块分配给不同的主存段，一个大程序有多个代码段和多个数据段构成。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,15,段式虚拟存储器的地址映像,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,16,段式虚拟存储器的地址变换图,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,17,分段系统的优缺点,优点： 段的分界与程序的自然分界相对应，因而段具有逻辑独立性，使其易于编译、管理、修改和保护，也便于多道程序共享；另外，某些类型的段（堆栈、队列）具有动态可变长度，允许自由调度以有效利用主存空间。 缺点： 段的长度各不相同，段的起点和终点不定，变化很大，给主存分配带来麻烦，而且容易在段间留下许多空余的零碎空间，不好利用，造成浪费。 （例如：一个长段被调出后，调进一个短段，就会造成碎区）,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,18,4.7.4.3 段页式系统,基本思想 将段式和页式结合起来。程序按模块分段，段内再分页，进入主存仍以页为基本传送单位。 逻辑地址由段地址、页地址和偏移量三个字段构成。 用段表和页表（每段一个）进行两级定位管理。根据段地址到段表中查阅与该段相应的页表指针，转向页表，然后根据页地址从页表中查到该页在主存中的页框地址，由此再访问到页内某数据。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,19,段页式虚拟存储器的地址变换,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,20,4.7.4.4 快表（TLB）,虚存系统中一次访问至少有两次物理存取 获取页表项 获取数据 简单的虚存机制会使存储时间加倍，所以许多虚存系统使 用特殊的Cache用于存放页表项，以减少对主存的存取。 为提高访问速度往往将页表中最活跃的部分放在一个快表(TLB)中。 TLB是Translation Lookaside Buffer的缩写 中文译名除了“快表”之外，还有地址变换后行缓冲器、地址转换后备缓冲器和变换旁视缓冲器等。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,21,4.7.5 存储保护,什么是存储保护？ 为避免主存中多道程序相互干扰，防止某程序出错而破坏其他程序的正确性，或某程序不合法地访问其他程序或数据区，应对每个程序进行存储保护。 以下情况发生存储保护错： 地址越界（转换得到的物理地址不属于可访问范围） 访问越权（访问操作与所拥有的访问权限不符） 访问属性的设定 数据段可指定R/M或RO；程序段可指定R/E或RO。 最基本的保护措施： 规定各道程序只能访问属于自己所在的存储区和共享区。 对于属自己存储区的信息：可读可写 对共享区或已获授权的其他用户信息：可读不可写 对未获授权的信息：不可访问。 不同的存储机制，其保护措施不同。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,22,程序重定位,把逻辑地址转换为实际的物理地址的过程称为“地址转换”或“程序重定位”。 重定位方式： 静态：在装入前将所有地址全部转换为物理地址。 动态：靠硬件的地址转换机构来实现，在程序执行过程中动态进行地址转换。动态定位可实现程序在主存中的浮动。 程序重定位是通过逻辑地址加界（即加基准地址）来实现的。,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,23,总结,为了提高处理器的利用率，大多采用多道程序设计。 多道程序设计系统，要求最大限度地利用主存空间。因而要求进行“存储管理”。 存储分配： 固定分区变长分区（加界重定位） 分页（页表） 分段（段表） 段页式（段表页表） 存储保护 越界检查 访问权限检查 键保护环保护,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,24,总结,南京大学计算机系多媒体技术研究所 袁春风,25,总结,MM-AM和Ca