虚拟存储器和高速缓存总结

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虚拟存储器和高速缓存总结

概述

为了更加有效的管理存储器并且少出错，现代操作系统提供了一种对主存的抽象，叫做虚拟存储器。虚拟存储器是被应用程序所意识和使用的。也就是说，它是被抽象出来的，虚拟出来的主存。所以，从应用程序的层面，程序看到的和使用的虚拟地址都是属于虚拟存储器的。虚拟存储器充当一种中间转换的角色，把虚拟地址对应的主存转换到真实的主存上面。

如图：

下图便是一个虚拟存储器的表示。

虚拟存储器是不存在的，是虚拟出来的，如程序文件段，它是对应在磁盘上程序文件所在位置的代码段的，主存中可能存在着一部分或全部的缓存。运行时堆段对应着磁盘上的swap区，主存中可能存在着一部分或全部的缓存。所以，虚拟存储器也可以说对程序段的组织，当需要访问时，再到主存或者虚拟存储器指向的真正位置去取。

虚拟存储器的作用：

• 它将主存看成是磁盘的一个高速缓存，在主存中只保留活动的区域，并根据需要在磁盘和主存之间传送数据，进而高效的利用有限的主存。
  
• 它为每个程序提供了一致的地址空间（虚拟地址空间），简化了存储器管理。例如，加载、链接和共享因虚拟存储器而变的简单。
  
• 它保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。每个进程的地址空间是私有的，即使所有进程的地址空间范围是一样的，访问的地址也可能相同，但虚拟存储器管理着进程能访问到的真实内存，假如程序访问不存在或使用错误权限访问都将返回错误。

虚拟寻址和物理寻址

程序使用虚拟寻址，物理内存使用物理寻址。

程序执行是产生一条虚拟地址，通过MMU（内存管理单元），转换为物理地址，使用该物理地址访问物理内存，取得数据。

地址空间

地址空间包括虚拟地址空间和物理地址空间。假如一个存储器的容量是Ｎ＝2ⁿ字节，那么他有N个地址，n位的地址空间。

CPU产生的地址是虚拟地址，属于虚拟地址空间。现代系统有32位和64位地址空间，这个地址空间就是虚拟地址空间。

物理地址空间是用来寻址物理内存的。

地址空间的概念很重要，它清楚的区分了数据对象（字节）和它们的属性（地址）。那么可以将其推广，允许每个数据对象有多个独立的地址，其中每个地址都选自一个不同的地址空间。这也是虚拟存储器的基本思想。

虚拟存储器架构

如图：

缩写解释：

VA：虚拟地址

VPN：虚拟页号

PTE：页表项

PTEA：页表项地址

PA：物理地址

DATA：数据

MMU：内存管理单元

TLB：地址翻译缓冲器

设置存储器层次结构主要是为了缓存低速的存储器。主存是对磁盘等设备的缓存，cache是对主存的缓存，tlb是对主存页表的缓存。

寻址方式：

• tlb是虚拟地址寻址的。
  
• cache、主存是物理地址寻址的。
  
• 磁盘是磁盘的方式地址寻址的。
  

图解:

• CPU产生一个虚拟地址，虚拟地址传送到MMU中，MMU首先根据虚拟地址在tlb中找对应的项，对应的项中包含虚拟地址对应的物理地址，如果找到，就用得到的物理地址在cache中找物理地址对应的数据，如果找到，就把数据从cache中返回给CPU。上述的情况是最理想的情况，即tlb命中，cache也命中。
  
• 如果tlb未命中，则MMU根据VA，应用一定的逻辑计算出PTE的物理地址（PTEA）。用PTEA在cache中找对应的数据（PTE），如果cache命中，把PTE返回给MMU，并填充到TLB中，下次再查找TLB时，TLB就会命中了。
  
• 如果CACHE未命中，则用PA从主存中取数据，返回数据并填充CACHE对应部分，下次就可以从CACHE中命中。
  
• 还有一种情况是，如果请求的数据未在主存中缓存，而是在磁盘中，例如页表项（PTE）中对应的地址是磁盘的地址，主存未命中，称为缺页，则缺页处理程序（操作系统）从主存中找到合适的位置，把磁盘中的内容填充到相应位置。

存储器的相联方式

存储器的相联方式有全相联、组相联、直接相联。关于相联方式，现在暂不更新，