北京大学：《计算机组织与体系结构》课程教学资源（讲义，下）虚拟存储器

计算机组织与糸统结构 虚拟存储器 Virtual Memory (第十九讲 程旭 2000.68 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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局部性原理 访问的可能性1 口局部性原理: 地址空间 令程序在一定的时间段内通常只会访问地址空间较小的部分 令例如:10%的代码将耗费90%的程序执行时间s 口两种不同类型的局部性: 令时间局部性【( Temporal Locality)↓■如果一个信息项正在 被访问,那么在近期她很可能还会被再次访问a 冷空间局部性【( Spatial Locality■在最近的将来将用到的 北森大学计算镜科享摄氰能与现在正在使用的信息在空间地址上我诉撒研堂

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三种映射策略比较 口直接映射 Cache ◇每个存储器位置只能映射到为一一个 cache位置 ☆在定位时不需要进行任何判断 当前的信息项替换掉 Cache中该位置上的前一个信息项 囗N路组相联 Cache■ 每个存储器位置可以选择N个 cache位置之 口全相联 Cache 冷每个 nemory位置可以存放在任何 cache位置 口N路组相联或全相联 Cache中的访问失效 令从存储器中取出新的信息块 令为给新块腾出空间μ替换出一个 cache数据块 于是,就必须确定到底需要替换掉 Cache中的哪个数据块! 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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上一讲总结 口程序局部性原理口 ☆在任何一段时间内,程序都趋于访问较小的一段地址空间 时间局部性【( Temporal Locality) 空间局部性( Spatial Locality) 口三种主要的 Cache失效类型 令突发失效【 Compulsory Misses):例如冷启失效s ◇冲突失效〖( Conflict misses)增加 cache容量和或相联 度。最要命的现象颠簸现象■ 容量失效【 Capacity Misses)■增加 cache容量 口写入策略【 Write Policy) 令写穿透( Write Through需要一个写缓冲器α要命的现 象口写缓冲器饱和■ 令写返回控制复杂 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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容量 存储层次的级别 访问时间 较高级别 成本 分段传较快 CPU寄存器 100s Bytes 寄存器堆 <10s ns 程序编译器 Cache 指令操作数1-8字节 K Bytes 10~100ns Cache $001~0001/bit Cache控制 块【( Blocks)8-128字节 主存 M Bytes 100ns-lus 存储器 操作系统 001~0001 页【( Pages)5124K字 磁盘 G Bytes 磁盘 毫秒 用户/操作 103-10美分 文件【( Files) Mbytes 磁带 较大 无限 磁带 秒~分 较低级别 北京天学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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本讲提纲 口重温存储层次和 Cache引论 口虚拟存储器 口页表和快表【TLBD 口保护 口存储层次对计算机科学其他学科的影响 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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虚拟存储 ·提供一种理想中的非常非常大的存储器 许多工作所需存储器的总和大于实际的物理存储器 每个工作的地址空间大于实际的物理存储器 使得可利用的(快速昂贵)的物理存储器得以很好地利用 ·简化存储器的管理(当今冖使用虚拟存储技术的主要原因) 使用存储层次,保持平均访问时间很低 至少包括两级存储层次■主存和二级存储 虚拟地址一程序员使用的地址 虚拟地址空间一上述地址的集合 ·存储器地址—物理存储器中存储字的地址,也称为物理 地址或实地址【( Real address 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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虛拟存储系统设计的基本问题 从二级存贮器向主存传输信息块的大小 如果某信息块需要引入主存M但是M已经装满,那么M中的一些区域就必 须释放μ以为新的信息块腾岀空间→替换策略 replacement policy M中的哪个区域将安放新的信息块→放置策略【( placement po!icyD 失效的信息项只有在出现页面失效(fauI时冖才从第二级存储器中取出→ 读取裝入策略【( . fetch/ oad policy mem disk reg pages frame 分页组织 虚拟和物理地址被划分为同等大小的信息块 页( age frames 页(ages 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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地址映射 0, n 虚拟地址空间 M={0,1,,m·}物理地址空间n>m 映射:V→MU{0}地址映射函数 MAP(a)=a‘如果在虚拟地址鱼的数据出现在物理地址α'并且在M中 0如果在虚拟地址的数据不出现在M中 a 名字空间V 失效信息项故障 缺页处理 处理器 地址变换 机制 生存1二级存 a 物理地址 0s完成这一传输 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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分页组织 物理地址 0匚页帧0K 页0—K映射单位 1024 11K|地址 1024[11K4 变换 映射 也是从虚拟存 储器到物理存 储器的传输单 物理存储器 31744 311K 虚拟存器 地址映射 虚拟地址[页号 偏移量 页表 页表基址 寄存器 到页表“可 PA +实际上,经常采用串联方式 的索引 位于物理 物理存 存储器的表储器地址 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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