19、深入理解计算机系统笔记,虚拟存储器,基本原理(1)

1、一个系统中的进程是与其他进程共享CPU和主存资源的。

2、虚拟存储器(Virtual Memory),是硬件异常,硬件地址翻译,主存,磁盘文件和内核软件的完善交互,它为每个进程提供一个大的,一致的,私有地址空间。通过一个清晰的机制,虚拟存储器提供了三个要重的能力:它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存,在主存中只保存活动区域,并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据,通过这种方式,它高效的利用了主存;它为每个进程提供了一致的地址空间,从而简化了存储器管理;它保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

3、物理和虚拟寻址

计算机系统的主存被组织成一个由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个惟一的物理地址(physical address,PA)。第一个字节地址是0,接下来的字节地址为1...

19、深入理解计算机系统笔记,虚拟存储器,基本原理(1)

早期的PC使用物理寻址,而且诸如数字信号处理器,嵌入式微控制器以及Cray超级计算机这样的系统仍然继续使用这种寻址方式。而为通用计算机设计师的现代处理器使用的是虚拟寻址(virtual addressing)。

19、深入理解计算机系统笔记,虚拟存储器,基本原理(1)

    MMU(memory management unit,存储器管理单元),利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址,该表的内容由OS管理。

4、地址空间

地址空间为非负整数地址的有序集合:{012...

如果地址是连续的,则称为线性地址空间。如果计算机有n位地址总线,在一个带有虚拟存储器的系统中,CPU从一个有N = 2n个地址的地址空间中生成虚拟地址,这个地址称为虚拟地址空间:{012...,N-1

物理地址空间,与物理存储器的M个字节相对应:{012...M-1

M不要求是2的幂。

允许每个数据对象(字节)有多个独立的地址(属性),其中每个地址都选自一个不同的地址空间,就是虚拟地址的基本思想。主存中的每字节都有一个选自虚拟地址空间的虚拟地址,和一个选自物理地址空间的物理地址。

5、虚拟存储器作为缓存的工具

概念上言,虚拟存储器被组织为一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个惟一的虚拟地址,这个惟一的虚拟地址是作为到数组的索引的。磁盘上数组的内容被缓存到主存中。和存储器层次结构中其他缓存一样,磁盘(较低层)上的数据被分成块,这些块作为磁盘和主存(较高层)之间的传输单元。VM系统通过将虚拟存储器分割成称为虚拟页(virtual page,VP)的大小固定的块,来处理这个问题。每个虚拟页的大小为P = 2p字节。类似地,物理存储器被分割成物理页(physical page,PP),大小也为P字节(物理页也被称为页帧,page frame)。

在任意时刻,虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集:

未分配的:VM系统还未分配或创建的页。未分配的块没有任何数据与它们相关联,因此也就不占用任何磁盘空间。

缓冲存:当前缓存在物理存储器中的已分配页。

未缓存的:没有缓存在物理存储器中的已分配页。

19、深入理解计算机系统笔记,虚拟存储器,基本原理(1)

因为大的不命中处罚和访问第一字节的开销,虚拟开销趋向于很大,典型地是4~8KB。由于大的不命中处罚,DRAM缓存是全相联的。也就是说,任何虚拟存储页都可以放置在任何的物理页中。DRAM缓存总是使用写回(write back)

1)页表

    存放在物理存储器一个数据结构,叫做页表(page table)。页表将虚拟页映射到物理页。

页表就是一个PTEpage table entry,页表条目)的数组。虚拟地址空间中的每个页在页表中的一个固定偏移量处都有一个PTE

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NULL:未分配。

VP3,VP5:已分配,但是还未被缓存。

VP1:已分配,已缓存。

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