虚拟存储器

本节导读

虚拟存储器是存储器层次结构的第三部分，大纲列了基本概念，页式虚拟存储器（基本原理、页表、地址转换、TLB），段式和段页式虚拟存储器。操作系统的内存管理（第 25 节）会从软件一侧再讲一遍，这一节偏重硬件：地址怎样拆分、页表项里有什么、一次访存要经过哪几步。

学完你应该能把虚拟地址拆成虚页号和页内偏移、查页表拼出物理地址，能算出带 TLB 的平均访存时间，并判断 TLB、页表、Cache 的命中与缺失组合是否可能出现。

基本概念

虚拟存储器是主存—辅存层次：程序使用的是虚拟地址（逻辑地址），它的空间可以比实际主存大得多；程序运行时只把当前要用的部分调入主存，其余留在辅存。虚拟地址到物理地址（主存地址）的转换由 CPU 中的存储管理部件 MMU 用硬件完成，调入调出由操作系统负责。

与 Cache 比较：二者都利用局部性、都以块（页）为单位调入；但虚拟存储器的页比 Cache 块大得多，缺页时要访问磁盘，代价很高，所以采用全相联映射（页可以放在任意一个页框中）、写回法，缺页由操作系统处理，而 Cache 的缺失完全由硬件处理。

页式虚拟存储器

虚拟地址空间和主存空间都划分成大小相同的页，主存中的页也叫页框（物理页）。

$$\text{虚拟地址} = \text{虚页号} \mid \text{页内偏移}$$虚拟地址=虚页号∣页内偏移 $$\text{物理地址} = \text{页框号} \mid \text{页内偏移}$$物理地址=页框号∣页内偏移

页内偏移的位数 = $\log_2$log2​（页大小），虚拟地址与物理地址的页内偏移相同。每个进程有一张页表，存放在主存里，起始地址放在页表基址寄存器中；以虚页号为下标找到页表项，页表项的主要内容：

字段	作用
有效位（装入位）	该页是否在主存中；为 0 时访问它产生缺页异常
页框号或磁盘地址	在主存时给出页框号，不在时给出它在辅存中的位置
修改位（脏位）	该页调入后是否被改过，换出时决定要不要写回辅存
引用位	最近是否被访问过，供页面置换算法使用
存取权限	只读、可读写、可执行等，用于存储保护

地址转换：取虚页号，访问主存中的页表项；有效位为 1 时，用页框号替换虚页号、页内偏移照抄，得到物理地址；有效位为 0 时产生缺页异常，由操作系统调入该页，必要时先换出一页，然后重新执行这条指令。页表的大小 = 页表项个数 × 每项字节数，页表项个数 = $2^{\text{虚页号位数}}$2虚页号位数。虚拟地址空间很大时，一级页表太大，可以用多级页表，只为用到的部分建立下一级页表。

快表 TLB

不加处理时，每次访存都要先访问一次主存查页表，速度减半。把最近用过的页表项放在一个小而快的相联存储器里，叫快表 TLB（页表的 Cache），一般采用全相联或组相联，TLB 项的标记是虚页号（或其一部分），内容是页框号和有效位等。

一次访存的过程：先用虚页号查 TLB；命中就直接得到页框号；缺失则访问主存中的页表，若页在主存中，把这一项装入 TLB；若缺页，转操作系统处理。得到物理地址后，再用物理地址访问 Cache，Cache 缺失才访问主存。这样，TLB、页表、Cache 三者的命中与否有一定的依赖关系：页不在主存时，它的页表项不可能在 TLB 中，它的数据也不可能在 Cache 中。