虚拟存储器
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8.存储器映射
1.为什么引入虚存的概念？
- 一个系统中的进程与其他进程共享CPU和主存资源，存储器更加难以管理。
- 虚拟存储器是硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件、内核软件的完美交互
- 为每个进程提供一个大、一致的私有地址空间。
能力：
- 高效使用主存：将主存看成存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，主存中只保持活动区域，根据需要在主存&&磁盘间来回传送数据。
- 简化存储器管理：为每个进程提供一致的私有地址空间。
- 保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
2.物理和虚拟寻址
物理寻址：主存被组织成一个M个连续的，字节大小的单元，组成的数组。每个字节一个物理地址。CPU生成一个物理地址->送到存储器。
虚拟寻址：CPU生成一个虚拟地址(VA)->转换为适当的物理地址->送到存储器。
地址翻译：
- CPU硬件和操作系统的密切配合
- CPU芯片上的存储管理单元的专用硬件，利用主存中的查询表动态翻译虚拟地址（表的内容操作系统管理）
3.地址空间
- 一个非负整数地址的有序集合（如果是连续：线性地址空间）
- n位地址空间：
- 物理地址空间：M不要求是2的幂次
- 主存中的每个字节都有一个选自虚拟地址空间的地址，和一个选自物理地址空间的地址。
4.虚拟存储器作为缓存的工具
- 磁盘上的数据被分割成块，作为磁盘和主存之间的传输单元。
- 分割成块：虚拟存储器->虚拟页，物理存储器->物理页（页帧）都是
字节
- 虚拟页面的集合分为（不相交子集）：
①未分配的：VM系统还未分配（或创建）的页，没有任何数据关联，不占磁盘空间
②缓存的：当前缓存在物理存储器的已分配页
③未缓存的：没有缓存在物理存储器的已分配页
①DRAM缓存的组织结构：
- 虚拟存储器系统的缓存，在主存中缓存虚拟页
- DRAM缓存的不命中比SRAM缓存的不命中昂贵，由磁盘服务
- 虚拟页比较大（4KB~2MB)
- DRAM缓存全相联，替换算法更复杂
- 使用写回
直写式 WT,Write Through 与 回写式 WB,Write Back 指的是缓冲内存的工作方式 直写式缓存方式是 当 CPU 要将数据写入内存时除了更新缓冲内存上的数据外也将数据写在 DRAM中以维持主存与缓冲内存的一致性 当要写入内存的数据一多 速度自然就慢了下来
回写式的缓存方式是 每当 CPU 要将数据写入内存时 只会先更新缓冲内存上的数据 随后再让缓冲内存在总线不塞车的时候才把数据写回 DRAM 所以速度自然快得多
②页表
- 虚拟页在DRAM中吗？在哪个物理页？
- PTE页表项：虚拟地址空间中每个页都在页表中对应一个条目：1有效位+n地址段（假设）
下图：VP0、VP5未分配，VP3、VP6分配未被缓存，其他被缓存
③页命中
如上图，假如读VP2中的虚拟存储器中一个字节，通过虚拟地址->找到页表项PTE2->有效位=1->物理地址get√
④缺页
引用VP3中一个字->找到PTE3->有效位=0->触发一个缺页异常
->调用内核缺页处理程序->选择牺牲页VP4:
- VP4已被修改：内核将VP4拷贝回磁盘
- VP4未被修改：不拷贝
->内核从磁盘拷贝VP3到PTE3,返回->重新启动导致缺页的指令->页命中
⑤交换/页面调度
- 在磁盘和存储器中传送页的活动
- 从磁盘换入DRAM，从DRAM换出磁盘
- 按需页面调度：一直等待，当有不命中时才换入页面
⑥分配页面
操作系统分配一个新的虚拟存储器页时，例如，调用malloc->在磁盘上创建空间->更新PTE5，指向磁盘上的页面
⑦局部性
- 保证了在任意时刻，程序往往在一个较小的活动页面集合工作（工作集、常驻集）。
- 工作集的大小大于物理存储器的大小：颠簸，页面不断换进换出
unix的getrusage检测缺页数量
5.虚拟存储器作为存储管理的工具
操作系统为每个进程提供一个独立的页表：多个虚拟页面可以映射到同一个物理页面
简化链接：
- 独立的私有地址空间，每个进程的存储器映像使用相同的基本格式。总是0x80480000/0x400000开始。
- 链接器可生成全链接的可执行文件，独立于物理存储器中代码和数据的最终位置的。
简化加载：
- 容易向存储器中加载可执行目标文件，和共享对象文件
- Linux加载器，分配虚拟页的一个连续的片chunk)，从0x08048000/0x400000开始虚拟页标记为无效，页表条目指向目标文件中适当位置。
- 加载器不实际从磁盘拷贝数据到存储器，引用时按需调入。
简化共享
- 独立地址空间，为操作系统提供管理用户进程，和操作系统自身间共享的一致机制。
- 私有数据、代码、堆、栈，操作系统新建页表，映射到不同物理页面。
- 共享的（内核代码，库程序），操作系统将不同进程中适当的虚拟页面映射到相同的物理页面。
简化存储器分配
- 虚拟存储器向用户进程，提供了一个简单的分配额外存储器的机制。
- 如malloc，操作系统分配k个连续的虚存页面，映射到物理存储器中任意位置的k个物理页面。
6.虚拟存储器作为存储器保护的工具
7.地址翻译
8.存储器映射