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考研408《计算机组成原理》复习笔记，第三章(7)——虚拟存储器

news 2025/8/15 8:06:37

一定要有Cache缓存的知识点概念，因为虚拟存储器跟它很像很像！！！

一、前提知识点

首先我们学过操作系统的话应该知道：

一个【程序的运行】是放到【主存（内存）】运行的
而其他暂时不运行的大量数据都是存放到【外存（辅存）】，也就是机械硬盘、固态硬盘这些

然后会发现我们会发现：

我们的电脑、手机的【运行内存（主存）】容量很小；
但是要下载一个王者荣耀、吃鸡、生化危机、岛国动作片.....都需要几十G、几百G的
那这么小的【运行内存（主存）】是怎么运行得了这么大的程序的？
其实是这些程序【大部分】都是放到【辅存】的，在运行的时候，只有【部分目前需要用到的数据】才会放入【内存】
比如：你当前在用王者荣耀的购买皮肤功能，那就只会从辅存调入 “商城指令、数据” 到内存
你在使用微信的视频聊天功能，那就只会从辅存调入 “视频聊天指令、数据” 到内存
在操作系统中，我们通常把【一个程序中当前正要运行的这部分】叫做【进程】

二、什么是虚拟存储器

1、为什么要有虚拟存储器？为了解决什么问题？

说句人话就是：
解决【主存容量不够大】和【访问辅存速度不够快】的问题！！！（CPU没法直接访问辅存，必须要经过主存）
而且还要【多个程序的进程】能够并发执行、并且互不干扰！！！

2、虚拟存储器基本概念

简单说人话：

1、是一项技术，一种【逻辑存储器】
（记住不是实际的存储器！！！！只是一种技术！！）
2、由【主存】+【辅存】共同构成，【统一编址】
因此应用程序员才可以无视实际的主存容量和进程在主存的位置，当成一整块逻辑整体就行
3、具有【主存的速度】+【辅存的容量】
4、由【硬件：存储器管理单元MMU】+【软件：OS操作系统】共同运行

【虚拟存储器】和【Cache】的区别

回顾这张图，依旧是这张出现了N次的图，把它背烂在心底：
二者【相同之处】：
目的都是为了：提高系统性能，协调相邻层之间容量、速度、价格的梯度差距
都把数据划分为【小信息块】，作为基本的交换单位（虚拟系统的信息块更大一点）
都有【地址映射】、【替换算法】、【写入更新策略】等问题
都依据【局部性原理】应用 “快速缓存” 思想（将活跃的暂时要用的数据放在相对高速的部件）
Cache-主存的高速缓存部件：【Cache】是【主存的高速缓存】
虚拟存储器高速缓存不就：【主存】是【辅存的高速缓存】
【不同之处】：
1、主要解决的针对性问题不一样：
Cache主要解决【系统速度】；
虚拟存储器主要解决【主存容量】
2、实现原理上：
Cache全靠【硬件】实现；
是【硬件存储器】
因此对所有程序员透明
虚拟存储器要靠【硬件】+【软件：OS操作系统】
是【逻辑存储器】
因此只对应用程序员透明，系统程序员还需要接触

3、【虚拟空间】和【实际空间】

【虚拟地址（VA：Virtual Address）】：应用程序员编程用的是【虚地址（也叫：逻辑地址）】
对应 “逻辑上：主存+辅存” 的这一整块【虚拟空间（程序空间）】的位置
可以发现，虚拟地址在虚拟空间是【连续的】
【实际地址（PA：Physical Address）】：实际物理上的主存单元地址就是【实地址（也叫：物理地址）】
对应【主存的地址空间】
可以发现，虚拟地址实际在主存中是【分散的】
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；
【虚拟存储器】的【基本寻址流程】
首先：CPU使用虚地址VA时，要先判断虚地址对应的内容是否【已经在主存】？
1、如果已经在主存，则通过【MMU】进行【地址变换】变成实地址PA
2、如果不在主存，那么这种情况叫【数据缺失】（CPU要的数据在辅存，但不能在主存找到）
则把包含这个字的【一页或一段】从高辅存调入主存先，然后再由CPU访问
（若主存已经满了，则采用【替换算法】换主存的【页框】）
还有别的情况就是操作系统的知识点了....

4、虚拟存储器传输数据的单位【页】

虚拟存储器传输数据的单位是【页】
【虚拟地址空间】的【页】：【虚拟页（VP：Virtual Page）】也叫【虚页（题目中用的比较多）】、【逻辑页】
【实际主存空间】的【页】：【物理页（PP：Physical Page）】也叫【实页】、【页框（题目中用的比较多）】
和Cache同样的是，【页】也是相当于把【一堆存储单元】合起来，Cache的一个【块】里还有【块内单元】；【页】里也有【页内单元】
注意！！！！！
【Cache-主存系统】里，主存的【块】虽然也可叫做【页/页面/页框】
但是【Cache-主存系统的 “页（块）”】绝对绝对不等于【虚拟存储器的 “页”】！！！
【虚拟存储器的 “页”】 > 【Cache-主存系统的 “页（块）”】
原因后面解释.......

5、虚拟存储器必知知识点！

前面说过了，【数据缺失】就是：
Cache的数据缺失是指：CPU获取的数据在【Cache中未命中，但是在主存】
虚拟存储器的数据缺失是指：CPU要获取的数据在【主存找不到，但是在辅存】
那么【主存的访问速度】比【Cache 的访问速度】慢
【辅存的访问速度】又比【Cache 的访问速度】更更更慢，
而且主存还没办法直接访问辅存，还得靠“中介”主存来访问，更是慢慢慢！！！
所以：
1、这就是为什么【虚拟存储器的 “页”】 > 【Cache-主存系统的 “页（块）”】
2、虚拟存储器必须采取【全相联映射】！！！
3、虚拟存储器必须采取【写回法】！！！

三、3种虚拟存储器

1、页式虚拟存储器

1）符合页式虚拟存储器的地址结构

【虚地址结构】

记住人话：【虚地址结构】=【虚页号】+【页内偏移量】
（页内偏移量你就当成 “页内地址”，就像 "Cache-主存" 的 “块内地址”）
再次提示：【逻辑空间】里的地址都是【连续的】

【主存实地址结构】

记住人话：【实地址结构】=【页框号】+【页内偏移量】
（页内偏移量你就当成 “页内地址”，就像 "Cache-主存" 的 “块内地址”）
再次提示：【实际主存空间】里的地址都是【分散的】

【提示】

那么可以发现，这跟【Cache-主存】的直接映射关系是有区别的：
【Cache-主存】的直接映射，地址结构虽然不一样，但是地址一模一样，长度一样
因为特么直接映射就是要一块一块直接对应上啊
【虚拟空间-主存空间】的地址结构不一样，地址内容也不一样了
因为特么的它只能用【全相联映射】，随意乱映射....
这就不能单纯靠看地址结构来分析了，需要依靠一个 【“中间翻译人”：页表】！！！！
不过其实只是【虚页号】对不上【页框号】，虚拟空间与主存空间的【页内地址】还是一模一样的（因为二者的【页】一样大小，1个【页】里面有几个单元都是一样的，所以页内地址位数、位置都一样）
这是因为【虚页号位数】>【页框号位数】（【虚拟存储器】 > 【主存容量】）

2）页表

究竟是怎么怎么根据【虚地址】映射到【实地址】？————那就是靠【页表】

【页表是啥？】

【页表】：
他就是翻译 “虚地址” 和 “实地址” 的翻译官：记录了一个【虚页】被调入主存时是安排在【主存的什么位置】
【页表】会被长久地存放在【内存里面】！！！！
每一个进程都有【专属于该进程自己】的【页表】
比如：王者荣耀有王者荣耀的页表、快手有快手的页表、CSDN有CSDN的页表...

【页表结构】

这里我想用数据库的概念来解释，学过计算机的应该都会数据库，那【页表】其实就是一个【表】
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；
按照王道教科书的【页表】结构，就一共就【5个字段（含一个隐含位）】：
【有效位】：又叫【装入位】，和Cache的有效位意义一样：
【1】就是这个虚页【已经放入主存】；
【0】就是这个虚页【还在辅存，没有放入主存】
（当然别的教材里还详细说明，还有【仅存在辅存】和【连辅存都没有分配】，了解即可）
【脏位】：又叫【修改位】，和Cache的脏位意义一样：
【1】就是这个【页】已经【被修改过】了，那替换时就需要写回磁盘辅存
【0】就是【没有被改过】，可直接替换、无需写回
注意：因为虚拟存储器采用【写回法】，所以必须要靠【脏位】来判断替换时是否要将页的数据写回磁盘辅存
【引用位】：又叫【使用位】或【替换控制位】
就是确定这个【页】被替换时采用的是【FIFO先进先出算法】、【LRU最近最少使用算法】.......哪一种替换算法
注意：虚拟存储器采用【全相联映射】，所以必须要用【替换法】
【存放位置】：也就是【物理页或磁盘位置】
这里就是翻译的最直接最后的一步了，到底这个【虚拟地址】对应的【页】的【实际地址】是哪
这里需要根据前面【有效位】来决定了
【有效位：1】说明存在主存，那这里就是【物理页地址（主存实际位置）】
【有效位：0】说明还没放到主存，那就只能是在辅存了，所以对应【辅存地址】
【虚页号（隐含位）】
就是这个【虚拟地址】里的【虚拟号】
前面我们说过：虚拟空间是【连续的】，所以虚拟号也是连续排列在【页表】里的
注意！！这个并不是【页表】里明确包含的字段，它是隐含的
就像学过数据库的都知道，一个表在添加数据的时候，前面会有个索引号自动添加，但实际表里根本没有记录这些数据

湖工大的更为详细，但是我觉得中间的【访问权限位】、【禁止缓存位】可以不学

除了这两位，那么别的位就都是一样的解释
还有【有效位】那里也解释的过于详细，【0】的情况还会对应【存放位置】的2种情况，了解即可，以王道的解释为准

3）页式虚拟存储器优弊端

页式虚拟存储器的优点：
【页面】长度固定（比如固定了【虚拟页】和【页框】都是4B，不能大不能小）
【页表】结构简单，调入方便
弊端：
但是【程序大小】又怎么可能会刚好是【页面长度】的【整数倍】
那么最后不够一个【页】的数据，也会算作一个【页】的大小映射
那么空闲的容量无法再被利用，会造成空间浪费

4）回顾整个流程

完整教材文字表述如下：
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为了上面那个图大家看不懂，还是用最详细最直白的下图表示：
那么我在用一句话来总结、加速大家的理解：
用【虚地址】的【虚页号】到【页表】里找到【实地址】的【页框号】就结束了（剩下的【页内偏移量】是一样的，有了【实页号（页框号）】，直接拼接【页内偏移量】就结束了）
那么这里再讲一个重点：
可以发现【步骤(②】、【步骤③④】我们共【访存2次主存】
【步骤②】我们先要去主存找到【页表】
然后【步骤③④】才去根据【页框号（物理页号）】+【页内偏移量（页内地址）】再去访问主存，找到最终完整地址

另外，在湖工大的教材里，甚至详细到结合了Cache一起工作的流程

感兴趣的可以看看，可以发现：
既然【页表】是放在主存的，那么它同样是主存的一份数据，可以备份到Cache，那么MMU可以先去Cache找有没有页表，找到就直接返回给MMU用；没找到再去主存拿页表，并替换回Cache
Cache能命中页表，那就在拿数据的时候访问一次主存；Cache未命中页表，那就还是得访问2次主存

5）快表TLB

【概念】

考点速记：
1、【快表】：又叫【转换后备缓冲器】、【TLB（Translation Lookaside Buffer）】
【快表】存【经常要访问的页表项】（所以会比【慢表】小）
【页表】就可以被叫做【慢表（Page）】了，在主存里的页表就是【慢表】
2、你就把【快表TLB】当成【Cache】，都是SRAM存储器，都是高速缓存，都是为了让CPU更快地访问，可以免去CPU访问主存的时间
但是它两存的东西还是有区别的
【Cache】存 “主存” 的各种数据，关心的是【主存数据】（包括主存的【页表】）
【快表TLB】只存 “慢表” 里的常用的页表项，关心的是【主存地址】
3、【快表TLB】使用【全相联映射】或【组相联映射】方式映射慢表的页表项
4、【快表TLB】未命中时的替换算法使用【随机替换算法】

【TLB地址映射】（复用 Cache 逻辑！）

首先我们需要知道：
【虚拟地址】去【页表（慢表）】映射的是————【物理地址（实地址、主存地址）】
（实际上只用找【实页号（页框号）】）
【虚拟地址】去【快表 TLB】映射的是————【逻辑地址（虚地址）】
（实际上只用找【虚页号】）
再通过【快表TLB】的【逻辑地址（虚地址）】直接映射成【物理地址（实地址、主存地址）】，而不用在访问【慢表】
；
然后看【TLB的地址结构】
首先CPU拿到的【虚拟地址】结构前面已经说过了，就不再多说
然后对应两种映射方式，有两种地址结构：
【全相联映射地址结构】：【Tag标记】+【页内偏移量】
【组相联映射地址结构】：【Tag标记】+【组索引】+【页内偏移量】
重点：
三个地址全部一模一样！！！和Cache映射的逻辑一样！！！因为本质上都是逻辑地址，所以所有地址【长度】、【内容】完完全全一模一样
只是【比特位意义】不同！！！
        那么这里比特位意义我直接用图片解释，另外可以直接用Cache映射的概念带还进去，TLB 的全相联、组相联映射，和 Cache 的映射逻辑完全一致
这里湖工大的PPT里把：
        【组相联映射】的 “Tag标记” 叫做 “TLB标记”、“组索引” 叫做 “TLB索引”；
        【全相联映射】的 “Tag标记” 叫做 “虚拟页号”
建议还是按“Tag标记”、“组索引”这样的说法记忆
；
【全相联映射】下
注意：
【有效位为1：命中，在TLB表里这个页表项是慢表的页表项】
【有效位为0：未命中，这只是TLB表里的这个空页表项，还得去慢表找】
【组相联映射】下

注意，组相联映射计算地址时:
首先要知道【虚拟地址几位？】
然后知道【虚拟页号几位？】和【页内偏移量几位？】
然后把【虚拟页号】拆成【Tag标记】+【组索引】
先算【组索引】，有【2^n】个组，就用【n】位表示组索引
得出【组索引】后才能算【Tag标记】，就是【虚页号位数 - 组索引位数（n）】
；
；
【例题】

最后看【TLB命中、缺失】情况

记住重点：
1、【快表TLB】是【慢表（页，页表，Page）】的 “一块副本”；【Cache】因为是【主存数据的 “一块副本”】，所以也可以存【慢表（页，页表，Page）】的 “一块副本”
【快表TLB】命中，则【慢表（页，页表，Page）】一定一定命中，因为就是从他那复制过去的
2、【慢表（页，页表，Page）】里面都没命中的话，那就说明这个页表项压根就不在主存
所以它的【TLB副本】【Cache副本】也一定缺失！！
3、【Cache】爱存不存【慢表】，它爽就存（那TLB不命中也可以不用去主存，而是在Cache找到）；不爽就不存（那TLB不命中的话，没法子还得去主存找【慢表】）
提示：
说人话就是：
【Cache】完全只靠【硬件】
【快表TLB】可靠【硬件】or【软件】