3.7虚拟存储器
思维导图
虚拟存储器的基本概念
虚拟存储器将主存或辅存的地址空间统一编址，形成一个庞大的地址空间，用户可以在里面进行自由编址，而不需要在乎实际的主存容量和程序存放的位置
虚拟地址比实际地址大
过程
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CPU使用虚地址时，由复制硬件扎到虚地址和实地址之间的对应关系，并判断虚地址对应的存储单元是否已装入内存。
- 如果已装入内存：通过地址变换，cpu可以直接当我主存指示的实际单元
- 如果不存在主存中：则把包含这个字的一页或一段调入主存后再由CPU访问
- 如果主存已满，采用替换算法置换主存的一页或一段
页式虚拟存储器
以页为基本单位的虚拟存储器称为页式虚拟存储器。
虚拟地址=虚页号+业内地址
页表（将虚拟地址转换到物理地址）：是一张存放在主存中的虚拟号和实页号的对照表，记录程序的虚页调入主存时被安排在主存中的位置。页表一般长久地保存在内存中。
组成：
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有效位（装入位）
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表示对应页面是否在主存
- 1：则表示该虚拟页已从外存调入主存，此时页表项存放该页的物理页号
- 0：没有调入主存，此时页表项可以存放该页的磁盘地址
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脏位（修改位）
- 表示页面是否被修改过
- 虚拟机制采用写回策略
- 利用脏位可判断替换时是否需要写回磁盘
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引用位
- 设置替换策略
优缺点：
- 优点：页面的长度固定，页表简单，调入方便。
- 缺点：由于程序不可能正好是页面的整数倍，最后一页的零头将无法利用而造成浪费，并且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虚拟存储器方便
快表（TLB）：加快地址转换
把经常访问的页表放入高速缓冲存储器中（快表）
地址转换时先查找快表
快表通常采用全相连或组相联方式
TLB项由页表内容+一个TLB标记字段
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TLB标记的内容
- 全相联：该页表项对应的虚页号
- 组相联：虚页号的高位部分，而虚页号的低位部分用于选择TLB的组索引（操作系统3.2.7）
具有Cache和TLB的虚拟存储系统中，CPU一次访存操作可能涉及TLB，页表，Cache 、主存和磁盘的访问。
CPU访问过程中存在三种缺失情况
- TLB缺失：要访问的页面对应的页表项不在TLB中
- Cache缺失：要访问的主存快不在Cache中
- 缺页Page:要访问的页面不在主存中
段式虚拟存储器
按照程序的逻辑结构划分，各段长度因程序而异
虚拟地址：段号、段内地址
变换：虚地址到实地址由段表实现
过程：CPU根据虚拟地址访存时，首先根据段号与段表基地址拼接成对应的段表行，然后根据该段表行的装入位判断该段是否已调入主存（装入位为“1”，表示该段已调入主存；装入位为“0”，表示该段不在主存中）。已调入主存时，从段表读出该段在主存中的起始地址，与段内地址（偏移量）相加，得到对应的主存实地址。
优点：段的分界与程的自然分界相对应，因而具有逻辑独立性，使得它易于编译、管理、修改和保护，也便于多道程序共享
缺点：因为段长度可变，分配空间不便，容易在段间留下碎片，不好利用，造成浪费
段页式虚拟存储器
程序按逻辑结构分段，每段再划分为固定大小的页，主存也划分为大小相等的页
程序对主存的调入调出以页为基本单位
每个程序对应一个段表，每段对应一个页表，段的长度是页长的整数倍，段的起点是某一页的起点
虚地址：段号、段内页号、页内地址
优点：兼具页式和段式虚拟存储器的优点，可以按段实现共享和保护
缺点：地址变换过程中需要两次查表，系统开销较大
