虚拟存储管理技术概念_虚拟内存管理
一、传统存储管理方式的特征、缺点
二、虚拟存储器的定义
主存和辅存共同构成了虚拟存储器。对于应用程序员来说，虚拟存储器是透明的。虚拟存储器即对磁盘存储器进行抽象，将磁盘存储器组织成一个连续的存储器，将主存看成是磁盘存储器的一个高速缓存。因此，虚拟存储器具有主存的速度和辅存的容量，提高了存储系统的性价比。
三、访问过程的步骤
（1）CPU使用虚地址时，由辅助硬件找出虚地址和实地址之间的对应关系，并判断这个虚地址对应的存储单元内容是否已装入主存。
（2）若已在主存中（装入位为1），则通过地址变换，得到一个主存地址，CPU通过该主存地址访问主存指示的实际单元（CPU访问：即以主存地址访问“Cache-主存”体系，如果该主存地址在Cache中，则访问Cache；如果不在Cache中，则访问主存，并把该字所在的块一次性地从主存调入Cache。）
（3）若不在主存中（装入位为0），则把包含这个字的一页或一段调入主存后再由CPU访问。若主存已满，则才采用替换算法置换主存中的一页或一段。
四、虚拟内存的特征
五、虚拟存储技术的实现
（1）请求分页存储管理
虚拟空间与主存空间都被划分成同样大小的页，主存的页称为实页，虚存的页称为虚页。
- 虚拟地址：分为两个字段，分别是虚页号和页内地址
- 页表：是一张存放在主存中的虚页号和实页号的对照表，用来实现虚地址和实地址之间的转换。
- 页表基址寄存器：存放当前运行程序的页表的起始地址，它和虚页号拼接成页表项地址，可以找到对应的页表项。
- 页表项：分为三个字段，分别是虚页号、实页号和装入位。（装入位为1，表示该页面已在主存中将对应的实页号和虚地址中的页内地址拼接，得到完整的实地址；装入位为0，表示该页面不在主存中，此时要启动 I/O 系统，将该页从辅存调入主存后再供 CPU使用）
虚地址到实地址的变换过程：
- 虚页号和页表起始地址拼接 = 页表项地址
- 页表项地址 → 页表 → 实页号
- 实页号和页内地址拼接 = 主存实地址
优点：页面的长度固定，页表简单，调入方便。
缺点：由于程序不可能是页面的整数倍，最后一页的零头将无法利用而造成浪费。
（2）请求分段存储管理
段式虚拟存储器中的段是按程序的逻辑结构划分的，各个段的长度因程序而异。
- 虚拟地址：分为两个字段，分别是虚页号和页内地址
- 段表：是一张存放在主存中的段号和段起点的对照表，用来实现虚地址和实地址之间的转换。
- 段表基址寄存器：存放当前运行程序的段表的起始地址，它和段号拼接成段表地址，可以找到对应的段表项。
- 段表项：分为四个字段，分别是段号、段起点、段长和装入位。（装入位为1，表示该段已在主存中将对应的段起点和虚地址中的段内地址相加，得到完整的实地址；装入位为0，表示该段不在主存中，此时要启动 I/O 系统，将该段从辅存调入主存后再供 CPU使用）
虚地址到实地址的变换过程：
- 段号和段表起始地址拼接 = 段表项地址
- 段表地址 → 段表 → 段起点
- 段起点+段内地址 = 主存实地址
优点：段的分界和程序的自然分界相对应，具有逻辑独立性
缺点：段长度可变，容易在段间留下碎片，不好利用，造成浪费
（3）请求段页式存储管理
把程序按逻辑结构分段，每段再划分为固定大小的页，主存空间也划分为大小相等的页，程序对主存的调入、调出仍以页为基本传送单位。 每个程序对应一个段表，每段对应一个页表，段的长度必须是页长的整数倍，段的起点必须是某一页的起点。
- 虚拟地址：分为三个字段，段号+段内页号+页内地址
虚地址到实地址的变换过程：
- 段号和段表起始地址拼接 = 段表地址
- 段表地址 → 段表 → 页表起始地址
- 页表起始地址和段内页号拼接 = 页表项地址
- 页表项地址 → 页表 → 实页号
- 实页号和页内地址拼接 = 主存实地址
优点：兼具页式和段式存储器的优点，可以按段实现共享和保护
缺点：在地址变换过程中需要两次查表，系统开销大
六、快表（TLB）
查找时，快表和慢表同时进行，块表由于根据内容指定地址，一般使用相联存储器。若快表中有此逻辑页号，则能很快地找到对应的物理页号，送入实主存地址寄存器，并使慢表的查找作废，从而就能做到虽采用虚拟存储器但访问主存速度几乎没有下降。
七、虚拟存储器和Cache的比较
（1）相同之处
- 最终目标都是为了提高系统性能，两者都有容量、速度、价格的梯度
- 都把数据划分为小信息块，并作为基本的传递单位，虚存系统的信息块更大
- 都有地址的映射、替换算法、更新策略等问题
- 依据程序访问的局部性原理应用“快速缓存的思想”，将相对活跃的数据放在相对高速的部件中
（2）不同之处
- Cache主要解决系统速度、而虚拟存储器却是为了解决主存容量
- Cache全由硬件实现，是硬件存储器，对所有程序员透明；而虚拟存储器由OS和硬件共同实现，是逻辑上的存储器，对系统程序员不透明，但对应用程序员透明。
- 对于不命中性能影响，虚拟存储器胸痛不命中时对系统性能影响更大
- CPU与Cache和主存都建立了直接访问的通路，而辅存与CPU没有直接通路。也就是说，在Cache不命中时主存能和CPU直接通信，同时将数据调入Cache，而虚拟存储器系统不命中时，只能先由硬盘调入主存，而不能直接和CPU通信。
八、虚拟存储器与覆盖技术的比较
（1）不同之处
- 覆盖程序段的最大长度要受内存容量大小的限制，而虚拟存储器中程序的最大长度不受内存容量的限制，只受计算机地址结构的限制。
- 覆盖技术中的覆盖段由程序员设计，且要求覆盖段中的各个覆盖具有相对独立性，不存在直接联系或相互交叉访问；而虚拟存储技术对用户的程序段没有这种要求。
九、虚拟存储器与交换技术的比较
（1）不同之处
- 都要在内存与外存之间交换信息。
（2）相同之处
- 交换技术调入/调出整个进程，因此一个进程的大小要受内存容量大小的限制：而虚存中使用的调入/调出技术在内存和外存之间来回传递的是页面或分段，而不是整个进程，从而使得进程的地址映射具有更大的灵活性
- 虚拟存储器允许进程的大小比可用的内存空间大。
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