L10 Virtual Memory

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锏拾濮
5 years ago
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1 Lecture 5: Virtual Memory II

2 简单分区 (Partitioning) 主存分配 : 操作系统 : 固定用户区 : 分区简单分区方案 : 使用长度不等的固定长分区 (fixed-size partition) 当一个进程调入主存时, 分配给它一个能容纳它的最小的分区对于需 96K 的进程可分配 256K 的分区简单分区方式的缺点 : 因为是固定长度的分区, 故可能会浪费主存空间多数情况下, 进程对分区大小的需求不可能和提供的分区大小一样问题 : 如何生成物理地址? 可以采用更有效的可变长分区的方式!

3 可变长分区 ( variable-length Partitioning) 分配的分区大小与进程所需大小一样特点 : 开始较好, 但到最后在存储器中会有许多小空块出现时间越长, 存储器中的碎片就会越来越多, 因而存储器的利用率下降更有效的方式是分页!

4 分页 (Paging) 基本思想 : 内存被分成固定长且比较小的存储块 ( 页框实页实页物理页 ) 每个进程也被划分成固定长的程序块 ( 页虚页虚页逻辑页 ) 程序块可装到存储器中可用的可装到存储器中可用的存储块存储块中无需用连续页框来存放一个进程操作系统为每个进程生成一个页表通过页表 (page table) 实现逻辑地址逻辑地址向物理地址物理地址转换 (Address Mapping ) 逻辑地址 (Logical Address): 程序中的指令所用的地址, 也称为虚拟地址物理地址 (physical 或 Memory Address): 存放指令或数据的实际内存地址, 也称为实地址实地址主存地址 BACK

5 分页 (Paging) 问题 : 是否需要将一个进程的全部都装入内存? 根据程序访问局部性可知 : 可把当前活跃的页面调入主存, 其余留在磁盘上! 采用按需调页 Demand Paging 方式分配主存! 浪费的空间最多是最后一页的部分! BACK

6 虚拟存储系统的基本概念虚拟存储技术的引入用来解决一对矛盾一方面, 由于技术和成本等原因, 主存容量受到限制另一方面, 系统程序和应用程序要求主存容量越来越大虚拟存储技术的实质程序员在比实际主存空间大得多的逻辑地址空间中编写程序程序执行时, 把当前需要的程序段和相应的数据块调入主存, 其他暂不用的部分存放在磁盘上指令执行时, 通过硬件将逻辑地址 ( 也称虚拟地址或虚地址 ) 转化为物理地址 ( 也称主存地址或实地址 ) 在发生程序或数据访问失效时, 由操作系统进行主存和磁盘之间的信息交换虚拟存储器机制由硬件与操作系统共同协作实现, 涉及到操作系统中的许多概念, 如进程进程的上下文切换进程的上下文切换存储器分配存储器分配虚拟地址空间虚拟地址空间缺页处理等

7 虚拟存储技术的实质虚拟 ( 逻辑 ) 空间用户程序编程空间虚拟 ( 逻辑 ) 空间页表通过页表建立虚拟空间和物理空间的映射! 用户程序 k 编程空间全部装入仅装入当前所需的代码和数据主存物理空间磁盘物理空间操作系统程序用户程序 k 片段用户程序片段用户程序 2 片段用户程序用户程序 k 用户程序 2 发生缺页时发生缺页时发生缺页时发生缺页时, 调入新页调入新页调入新页调入新页 BACK

8 虚拟地址空间 Linux 操作系统的虚拟地址空间 ( 其他 Unix 系统的设计类此 ) 内核 (Kernel) 用户栈 (User Stack) 共享库 (Shared Libraries) 堆 (heap) 可读写数据 (Read/Write Data) 只读数据 (Read-only Data) 代码 (Code) 问题 : 加载时是否真正从磁盘调入信息到主存? 实际上不会从磁盘调入, 只是将代码和数据与虚拟空间建立对应关系, 称为映射可执行文件的相关内容复制到代码段和数据段, 然后跳转到程序入口

9 地址空间地址空间每个用户程序都有相同的虚拟MIPS 程序和数据的存储器分配问题 : 你知道一个程序在编辑编译汇编汇编链接链接装入过程中的哪个环节确定了每条指令及其操作数的虚拟地址吗? 链接时确定虚拟地址 ; 装入时生成页表以建立虚拟地址与物理地址之间的映射!!问题请参考深入理解计算机系统和有关 Linux 内核分析方面的资料这就是每个进程的虚拟 ( 逻辑 ) 地址空间!

10 虚拟存储器管理实现虚拟存储器管理, 需考虑 : 块大小 ( 在虚拟存储器中块被称为页 / Page ) 应多大? 主存与辅存的空间如何分区管理? 程序块 / 存储块之间如何映像? 逻辑地址和物理地址如何转换, 转换速度如何提高? 主存与辅存之间如何进行替换 ( 与 Cache 所用策略相似 )? 页表如何实现, 页表项中要记录哪些信息? 如何加快访问页表的速度? 如果要找的内容不在主存, 怎么办? 如何保护进程各自的存储区不被其他进程访问? 有三种虚拟存储器实现方式 : 分页式分段式分段式段页式段页式这些问题是由硬件和 OS 共同协调解决的!

11 主存 -- 磁盘层次和 CPU(Cache) 和主存层次相比 : 页大小比 Cache 中 Block 大得多!2KB~64KB Why? 采用全相联映射!Why? 因为缺页的开销比 Cache 缺失开销 ( 缺失损失 ) 大的多!! 缺页时需要访问磁盘 ( 约几百万个时钟周期 ), 而 cache 缺失时访问主存仅需要几十到几百个时钟周期! 因此, 页命中率比 cache 命中率更重要! 大页面和全相联可提高页命中率通过软件来处理缺页!Why? 缺页时需要访问磁盘 ( 约几百万个时钟周期 ), 慢! 不能用硬件实现采用 Write Back 写策略! Why? 避免频繁的慢速磁盘访问操作地址转换用硬件实现!Why? 加快指令执行

12 分页式系统 Virtual page No. 缺页的代价是什么? 读磁盘 ( 需花几百万个时钟周期!) 虚拟地址由虚页号和页内偏移量组成每个页表项记录对应虚页的各种情况,Valid 为 0 说明缺页 (page fault ) 地址转换由 CPU 中的 MMU 实现 Valid Page table Phy. page or Disk address Phy. memory Disk storage 有些系统采用双表结构 : 物理地址和磁盘地址分开存放在不同的页表中

13 页表结构页表首址记录在页表基址寄存器中每个进程有一个页表, 有装入位装入位修改 (Dirt) 位替换控制位替换控制位访问权限位禁止缓存位禁止缓存位实页号, 页表项数由进程大小决定

14 页表结构必须解决页表占空间过大的问题 () 页表可能很大, 为了让一个进程具有很大的虚拟编程空间, 系统必须允许页表的项数足够多例如 : 在 VAX 系统中, 每个进程能拥有高达 2 3 =2G 字节的虚拟存储器, 按 52 字节 / 页进行分页, 则每个进程最多可达 2 22 个页表项显然, 这么大的页表全部放在主存中是不适合的 (2) 系统中有许多进程, 每个进程有一个页表

15 页表结构解决页表过大的方法一级页表 : 动态扩充, 限制大小一级页表 : 分两个独立的段二级或多级页表 : 一级为段二级为页将页表分页, 当前使用的页的页表项所在页表在内存, 其他在外存, 页表也要调进调出反向 ( 倒置 ) 页表操作系统课程会详细介绍!

16 逻辑地址转换为物理地址的过程 PA Memory frame 0 7 K K K Addr Trans MAP 问题 : 虚拟地址几位? 虚页号几位? 页内偏移量几位? VA Virtual Memory 0 page K K K unit of mapping also unit of transfer from virtual to physical memory 问题 : 物理地址几位? 页框号几位?

17 逻辑地址转换为物理地址的过程 0 VA page no. disp Page Table Base Reg Page Table 当 V=0 时, 发生缺页当读写操作不符合 Access Right 时, 发生保护违例 index into page table V Access Rights PF# table located in physical memory actually, concatenation( 串联 ) + is more likely frame no. disp PA

18 信息访问中可能出现的异常情况可能有两种异常情况 : ) 缺页 ( page fault) 产生条件 : 当 Valid( 有效位 / 装入位 ) 为 0 时相应处理 : 从磁盘中读信息到内存, 若内存没有空间, 则还要从内存选择一页替换到磁盘上, 替换算法类似于 Cache, 采用回写法, 页面淘汰时, 根据 dirty 位确定是否要写磁盘异常处理结束后 : 当前指令的执行被阻塞, 当前进程被挂起, 处理结束后回到原指令继续执行 2) 保护违例 ( protection_violation_fault ) 产生条件 : 当 Access Rights ( 存取权限 ) 与所指定的具体操作不相符时相应处理 : 在屏幕上显示内存保护错信息异常处理结束后 : 当前指令的执行被阻塞, 当前进程被终止 Access Rights ( 存取权限 ) 可能的取值有哪些? R = Read-only, R/W = read/write, X = execute only

计算机组成原理 COD 第 5 章虚拟存储器

计算机组成原理 COD 第 5 章虚拟存储器 llxx@ustc.edu.cn 本章内容 COD4 第 5.4 节实方式 vs 虚方式页式虚存管理机制 TLB MMU 层次化 :TLB-Cache-Memory-Disk 三级存储体系结构三级存储系统 : 缓存主存辅存缓存 - 主存层次映射查找读写, 替换主存 - 辅存层次映射查找读写替换辅助硬件 CPU 高速缓存 Cache