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虚拟存储技术原理
作者: 51cto.com 2006-01-17 14:33 【】

page fault:
虚拟存储器是根据程序的逻辑地址转换来的,也称线性地址空间。一般每个进程,甚至每个段都有一个,以32位为例,则每个最大可达4G。
而主存目前一般为百M。因此程序中所指的存储单元并不能都放到主存中,也就是并不是每个程序所用的存储单元,都有具体的物理的存储器单元与之对应。
但由于程序的两个局部性原理,在一个时刻,程序只在一个比较小的范围内运行。所以我们把程序可能用到的整个存储空间分成一个个相同大小的页(按页管理硬件上容易实现),只把其中的一些页放在主存中,而其它的页则等需要时再建,或放在辅存(磁盘)中。同时建立一个页表,对应于每一页,如果该页在主存中,则页表记录它在主存中的地址;如果不在主存中,则在页表上作不在主存的标记。
这样,当程序需要调用某个存储单元的内容时,先根据它的线性地址,算出其所在的页。查页表,看是不是在主存中?如果在,则直接存取。如果查到页表上是不在的标记,那就是一个page fault。要把主存中的某一页(LRU策略)换到磁盘上,把要访问的那个单元所在的页调入主存,再进行存取。
就象一个预计有一万学生的学校,理论上每个学生都应有一个位子上课(一万个虚拟位子),而学校只有一千个(物理)位子。但实际上,学校也不会一万个人同时上课,只要让上课的同学有位子(在主存中),而其它同学只要留下联系方法能找到就好。为了降低管理的复杂性,我们采用按学号分班(页)管理。每个班要么一起上课(主存),要么一起呆在寝室(磁盘)。而在学校保留一个动态表(页表)表明每个班在哪儿(物理地址)上课,或者没上课(不在主存)。现在假设我们想按学号找一个同学,而且是女同学,只能在教室说话,呵呵。那么:
先算出来是哪个班的,查动态表,看该班是否在教室。在,直接按位置找到(hit);不在(page fault),要先找个不上课的班赶回寝室,把要找女生所在的班调到教室,再按位置找那个同学。
动态表(页表)的大小=表项数*每个表项所需的位数。
表项数=虚拟班数=虚拟人数(虚拟地址空间)/每班人数(每页大小)
每个表项的位数=Log(教室数)+适当控制位数
教室数=实际可以上课的人数(物理地址空间)/每班人数(每页大小)
 

虚拟地址换算:

TLB miss:
4G(32-bit)的存储空间,如果按4K分页,则可分1M页。每个页表项为4B,则一个页表大小为4MB。由于页表太大,只能放在主存中。这样每次读内存都要读主存,大大影响读写速度。而同样基于局部性原理,整个页表在某一时刻,所用的也仅仅几页而已。所以我们把某段时间经常用的几个页表项,即常用的虚拟页号和其对应的物理页地址,存在Cache中,即TLB。
这样,当程序需要调用某个存储单元的内容时,先根据它的线性地址,算出其所在的页。先查TLB(比较虚拟页号),如果有相同的虚拟页号,则就可以马上知道其所在的物理地址,根据物理地址进行存取。
如果没有相同的虚拟页号,则说明该页没有记录在TLB中,那再去查页表,按page fault中所说的进行。
TLB像我们随身记录电话的小纸片,当要查一个电话时,我们先看小纸片。有,我们可以直接打电话。如果没有,我们再回家查详细的电话号码簿(页表),再打电话。
 


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