计算机虚拟存储器是啥(计算机组成原理虚拟内存)

虚拟内存

1.虚拟内存的基本概念

虚拟内存是主内存的扩展。虚拟内存空间的大小取决于计算机的内存访问能力，而不是实际外部存储器的大小。实际存储空间可以小于虚拟地址空间。从程序员的角度来看，外部存储器被视为逻辑存储空间，访问的地址是逻辑地址（虚拟地址）。虚拟内存使存储系统具有与外存相当的容量和接近主存的访问速度。

虚拟内存访问还涉及到虚拟地址和真实地址的映射、替换算法等，这个和Cache中的类似。前面我们讲的地址映射是以块为单位的，而在虚拟内存中，地址映射是以页为单位的。作为单位。设计虚拟存储系统时需要考虑的指标是主存空间利用率和主存命中率。

虚拟内存和Cache内存的管理方法有很多相似之处。它们都需要地址映射表和地址转换机制。但两者也有不同。

虚拟内存有三种不同的管理方式：根据存储映射算法分为段式、页式和段页式。这些管理方法的基本原理是相似的。

2.页虚拟内存

页面管理：将虚拟存储空间和真实空间划分为固定大小的页面，每个虚拟页面可以加载到主存中不同的实际页面位置。在页存储中，处理器的逻辑地址由两部分组成：虚拟页号和页内地址。实际地址也分为两部分：页号和页内地址。地址映射机制将虚拟页号转换为主存的实际地址。页码。

页管理使用页表，包括页号、每个页在主存中的起始位置、加载位等。页表是虚拟页号和物理页号之间的映射表。页面管理由操作系统执行，并且对应用程序程序员是透明的。

3、分段虚拟内存

段管理： 一种按照段分配主内存的存储管理方法。它是一种模块化的存储管理方法。每个用户程序模块可以分为一个段。程序模块只能访问分配给该模块的段对应的主存空间。段长可任意设定，并可放大、缩小。

系统中用一个段表来表示每个段在主存中的位置。段表包括段名（段号）、段起始点、加载位、段长度等。段表本身也是一个段。段通常分为程序模块。

4.段页虚拟内存

段页管理：是以上两种方法的结合。它将存储空间按照逻辑模块划分为段，每个段又分为若干页。内存访问是通过一个段表和几个页表来执行的。段的长度必须是页长度的整数倍，并且段的起点必须是某个页的起点。

5.TLB（快速表）

在虚拟内存中进行地址转换时，需要进行内部地址转换，将虚拟页号转换为主存中的真实页号。这一般是通过查找内部页表来实现的。当表中该页对应的加载位为真时，表示该页在主存中，可以根据主存地址查询主存；如果加载位为假，则表示该页不在内存中，发生页失败。中断，需要从外部存储器加载页面。

中断处理时，首先对外部地址进行转换，通常是通过查找外部页表，将虚拟地址转换为外部存储器中的实际地址，选择外部存储器中的页面，然后通过I/0 通道。外存页面转入主存时还存在页面替换的问题。

提高页表的访问速度是提高地址转换速度的关键。因为每次访问内存时都要读取页表，如果页面存储在主存中，则意味着访问内存的时间至少是两次访问主存的时间，因此查表的成本非常高。只有提高内部地址转换的速度，使得访问主存的速度接近不使用虚拟内存访问主存的速度，虚拟内存才能实用。

根据内存访问的局部性，表中每一项的使用概率并不是均匀分布的。在一段时间内，表中可能只有少数项被使用，所以我们应该重点提高这部分使用概率较高的页表的访问速度。快速硬件可以用来形成整个表小得多的部分表，并且整个表应该放在主存中，这就引出了快表和慢表的概念和技术。这样，虚拟地址到真实地址的转换方法如下图所示。

查表时，根据虚拟页表同时查找快表和慢表。当在快速表中找到虚拟页号时，可以快速找到对应的真实页号，并将其发送到主存真实地址寄存器。同时，慢表中的搜索失效，主存的访问速度并没有降低太多。

如果在快表中找不到，则经过一段访问主存的延时后，将在慢表中找到的真实页发送到真实地址寄存器，同时将虚拟页号和对应的真实页码将被发送到真实地址寄存器。快速表，这里还涉及到使用替换算法来替换快速表中的一行。

快速表的存在对于所有程序员来说都是透明的。

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