虚拟存储器3

虚拟存储器是一个逻辑模型，并不是一个实际的物理存储器。

1． 作用 

（1） 分隔地址空间
（2） 解决主存的容量问题
（3） 程序的重定位

2． 特点：

虚拟存储器和Cache都是基于程序局部性原理，它们的相同点在于：

① 把程序中最近常用的部分驻留在高速度的存储器中。
② 一旦这部分程序不再常用，把它们送回到低速的存储器中。
③ 这种换入、换出操作是由硬件或是操作系统完成，对用户透明。
④ 力图使存储系统的性能接近高速存储器，价格接近低速存储器。

两者的不同点在于：

① Cache用硬件实现，对操作系统透明；而虚拟存储器是由操作系统、硬件相结合实现的。 
② Cache是一个物理存储器；而虚拟存储器仅是一个逻辑存储器，物理结构是建立在主存-辅
存二级存储器结构之上。

3．存储管理 

（1） 段式管理---主存按段分配的存储管理方式

· 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部分。
· 系统的基本信息传送单位为段（地址映射关系见图3）。
· 优点：
· 段的分界与程序的自然分界相对应；
· 段的逻辑独立性使它易于编译、管理、修改和保护。也便于多道程序共享；
· 某些类型的段（堆栈、队列）具有动态可变长度，允许自由调度以便有效利
用主存空间。 
· 缺点：因为段的长度各不相同，段的起点和终点不定．给主存空间分配带来麻烦。而
且容易在段间留下许多空余的零碎存储空间不好利用，造成浪费。

　（2） 页式管理---主存按页分配的存储管理模式

· 将主存和虚存的物理空间都划分为等长的固定区域，称为页面。
· 系统的基本信息传送单位是定长的页（地址映射关系见图1）。
· 优点：页面的起点、终点地址是固定的，所以页表简单，调入方便，主存空间浪费
小。
· 缺点：由于页不是逻辑上独立的实体，所以处理、保护和共享都不及段式来得方便。

（3）段页式管理---段式管理与页式管理的结合

· 将程序按模块分段，段内再分页，调入主存仍以页为基本信息传送单位（地址映射关
系见图5）。
· 用段表和页表（每段一个页表）进行两级定位管理。

页式虚拟存储器

1． 分页

　　　　　虚存空间分页-- 逻辑页 
页面大小相同
主存空间分页-- 物理页 

2． 虚-实地址变换

虚拟地址到主存实地址的变换是由放在主存的页表来实现的。在页表中，对应每一个虚拟逻辑页号有一个表目，表目内容至少要包含该逻辑页所在的主存页面地 址（物理页号），用它作为实（主）存地址的高字段，与虚存地址的页内行地址字段相拼接，就产生了完整的实（主）存地址，据此访问主存。
通常，在页表的表项中还包括装入位（有效位）、修改位、替换控制位及其他保护位等组成的控制字段。
页式虚拟存储器的地址变换见图2。

　　　　　　　　　



访存时，根据虚地址的逻辑页号读取页表的某一表目，若装入位有效（表示该页在主存中），将表目中的物理地址与页内地址组合，即得到访问主存的实地址。
为了提高查询页表的速度，可使用高速存储器或是相联存储器作为快表，也可以采用快表、慢表相结合的方法。
快表、慢表法的地址变换见教科书P117图3.43。

段式虚拟存储器

　　虚拟地址由段号和段内地址组成，地址变换需要一个段表，具体地址转换方式见图4。

　　优点：用户地址分离，段表小，管理简单。
缺点：段长不能大于内存容量。

段页式虚拟存储器

　　 段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合。在这种方式中，把程序按逻辑单位分段以后，再把每段分成固定大小的页。程序对主存的调入调出是 按页面进行的，但它又可以按段实现共享和保护。因此，它可以兼备页式和段式系统的优点。其缺点是在地址映象过程中需要多次查表。
在段页式虚拟存储系统中，每道程序是通过一个段表和一组页表来进行定位的。段表中的每个表目对应一个段，每个表目有一个指向该段的页表起始地址（页号）及该段的控制保护信息。由页表指明该段各页在主存中的位置以及是否已装入、已修改等状态信息。
段页式管理的地址变换方法见图6。

替换算法

　　
与Cache相似，虚拟存储器也需要使用到替换算法。方法基本与Cache的相同，但也有不同之处，主要体现在：

· 页面替换由软件（OS）完成
· 页面替换的选择余地大

具体算法有FIFO、LRU和LRU＋FIFO，参考教科书P120例7。

虚拟存储器实例

奔腾机支持三种虚地址模式：

· 分段不分页
· 分段分页
· 不分段分页。