1.存儲器層次結(jié)構(gòu)

• 計算機對存儲器的基本要求：速度快挡鞍，容量大，價格低预烙，三者相互矛盾墨微，速度越快，位價格越高扁掸，存儲器容量越大翘县，速度就不可能很快
• 多層次存儲系統(tǒng)的目的：為了解決容量，速度和價格三者之間的矛盾谴分，通常把各種不同存儲容量锈麸，不同存取速度和位價格的存儲器，按一定的結(jié)構(gòu)組織起來牺蹄，形成一個多層次的存儲系統(tǒng)
• 信息在層次化的存儲系統(tǒng)中進行存儲時需滿足兩個基本原則
  • 包含性原則：指在上層存儲器中所存放的內(nèi)容一定是其下層存儲器內(nèi)容的一部分忘伞，即上層存儲器存儲的信息是其下層存儲器部分內(nèi)容的副本
  • 一致性原則：最上層存儲器中的內(nèi)容被修改后，也必須修改該信息保存在其他下層存儲器的所有副本沙兰，以保持信息的一致性氓奈，即存放在不同存儲器中的同一數(shù)據(jù)，在不同存儲器中要保持相同的值
• 命中率H_i：H_i表示在存儲器中找到被訪問信息的概率
• 程序運行的局部性原理
  • 時間局部性：在一小段時間內(nèi)鼎天，最近被CPU訪問過的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問
  • 空間局部性：一段時間內(nèi)被CPU訪問的指令和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲區(qū)域內(nèi)
• 存儲器層次結(jié)構(gòu)中最重要的兩個層次：
  • 高速緩存存儲器 Cache：目的是為了提高存儲器的訪問速度舀奶，使得CPU訪存速度接近cache，容量接近主存训措，由硬件實現(xiàn)伪节，對所有程序員透明
  • 虛擬存儲器：目的是提高存儲器的容量，使得用戶在使用內(nèi)存時绩鸣，可面對接近輔存的容量怀大，訪問速度接近主存，軟硬件結(jié)合實現(xiàn)
    
    現(xiàn)代存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
• 存儲器層次結(jié)構(gòu)帶來的問題：
  • 地址映射：解決上層副本所在單元地址與下層地址對應(yīng)關(guān)系的問題
  • 數(shù)據(jù)一致性問題：存放在不同存儲器中的同一數(shù)據(jù)呀闻，在不同存儲器中要保持相同的值化借，如何保證不同層次存儲器中存放數(shù)據(jù)的一致性
  • 地址變換：CPU訪存提供的主存地址如何轉(zhuǎn)換為不同層次存儲器中的地址
  • 替換策略: 當某層存儲器已經(jīng)存滿數(shù)據(jù)，又有新數(shù)據(jù)要裝入時捡多，應(yīng)將哪些數(shù)據(jù)替換出去

2.相聯(lián)存儲器

相聯(lián)存儲器就是選擇存儲單元中的某一個存儲項的內(nèi)容作為地址來對存儲器進行尋址蓖康。這個用來定位存儲單元的字段稱為關(guān)鍵字铐炫，簡稱鍵(key)。故相聯(lián)存儲器中每個存儲單元中存儲的信息都由關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)兩部分組成

• 相聯(lián)存儲器按存儲單元中存放的全部或部分內(nèi)容進行訪問的存儲器蒜焊，也稱按內(nèi)容訪問存儲器(AM Associative Memory)
• 主要用于需快速檢索的場合
• 讀操作按內(nèi)容訪問過程：CPU給出的關(guān)鍵字(存儲單元的全部或部分內(nèi)容)和存儲器中所有單元中相應(yīng)信息(counterpart)進行比較倒信，定位到與關(guān)鍵字匹配的存儲單元后，將此單元所有信息讀出
• AM主要組成

相聯(lián)存儲器

• 存儲體
• 檢索寄存器：存放用于查詢的檢索字
• 屏蔽寄存器：存放屏蔽碼泳梆，來屏蔽檢索字中非關(guān)鍵字字段位鳖悠，即屏蔽碼中與關(guān)鍵字對應(yīng)位置1，其余位置0优妙，檢索字和屏蔽碼與操作后得到關(guān)鍵字值
• 匹配寄存器：關(guān)鍵字通過比較電路與所有存儲單元對應(yīng)位進行比較乘综，若相符，則該存儲單元在匹配寄存器相應(yīng)位置1套硼，匹配寄存器位數(shù) = 相聯(lián)存儲器字數(shù)(存儲單元個數(shù))卡辰，所有存儲單元內(nèi)容都比較完后，匹配寄存器中所有值為1的位對應(yīng)的存儲單元邪意，就是與檢索字匹配成功的存儲單元
• 數(shù)據(jù)寄存器
• 比較電路和譯碼電路

3.高速緩沖存儲器 Cache

特點：

• 速度快九妈，容量小，位價格高
• 可加快程序執(zhí)行速度抄罕，解決CPU和主存速度不匹配
• 命中率越高允蚣，CPU訪存速度越接近于Cache的存取速度
• 與主存以塊為單位進行數(shù)據(jù)交換于颖，塊由若干字組成呆贿，通常是定長的
• cache接收到地址后，首先進行地址變換操作森渐，即將主存地址轉(zhuǎn)換成cache地址
  
  CPU訪存處理流程

• cache讀過程

cache讀

• 地址變換機制可以判斷出本次要訪問的存儲單元內(nèi)容是否已經(jīng)裝入cache中做入，即是否命中
• cache命中率越高，CPU平均訪存時間越短同衣，但當cache容量大到一定程度時竟块，命中率不會再隨著容量的增加而明顯地增大
• Cache性能指標
  • 命中率：H = N₁ / N，CPU訪存N次耐齐，cache命中N₁次
  • 平均訪存時間T_a：指CPU單次訪存所需要的平均時間浪秘，T_c為cache存取時間，T_m為主存存取時間
    T_a = HT_c + (1-H)×T_m
• 加速比S_p：主存存取時間與平均訪存時間比值
  S_p = T_m / T_a
• 訪問效率e：cache存取時間與平均訪存時間的比值
  e = T_c / T_a
• 地址映射與地址變換
  • 地址映射機制：就是解決如何將主存的地址空間映射到cache的地址空間埠况，即把主存中的內(nèi)容按照某種規(guī)則裝入到cache中耸携，并建立主存地址與cache地址的映射關(guān)系
  • 地址變換：執(zhí)行程序時，應(yīng)首先將主存地址變換成cache地址辕翰，即執(zhí)行地址變換
  • 二者密切聯(lián)系夺衍，采用什么樣的地址映射方法，就必然采用與之相對應(yīng)的地址變換方法
  • 主存地址和cache地址可分為兩部分：塊地址喜命，塊內(nèi)地址
  • 主存和cache之間以塊為單位進行數(shù)據(jù)的調(diào)入沟沙，調(diào)出
  • cache中每一塊都增加了標記字段(Tag)河劝，用于說明該塊是主存中哪一塊的副本
  • CPU訪存時需將所訪問的主存塊號與cache中的標記進行比較，才能判斷出該地址對應(yīng)的存儲單元是否在cache中命中
    
    
    
  • 全相聯(lián)映射及其地址變換
    • 全相聯(lián)地址映射：指主存中的每一塊都可以映射到cache中的任意塊
    • 特點：最靈活矛紫，cache利用率高赎瞎，成本高，缺點：標記比較的速度比較慢
    • 主存地址高m位表示主存塊地址颊咬，低b位表示塊內(nèi)地址
    • cache地址同樣劃分為兩部分：高c位表示cache塊地址煎娇，低b位表示塊內(nèi)地址
    • 目錄表記錄主存塊與cache塊之間映射關(guān)系，目錄表存放于相聯(lián)存儲器中
    • 目錄表每個存儲字包括三部分：主存塊號贪染，cache塊號缓呛，有效位
      • 有效位：表示目錄表中主存塊號和cache塊號建立的映射關(guān)系是否有效
    • 目錄表共有2^c個存儲字，即cache中每個塊對應(yīng)目錄表中一個存儲字
    • 當一個主存塊調(diào)入cache中時杭隙，會同時將主存塊號和cache塊號存入目錄表中哟绊，并將有效位置1
    • 當CPU發(fā)來一個訪存地址，地址變換就是根據(jù)主存地址中的塊號查詢目錄表的過程痰憎。若在目錄表找到票髓，且有效位為1，則表示命中铣耘，否則未命中

全相聯(lián)映射

• 可以認為每一個目錄表項記錄了某個cache塊是從主存中哪一塊調(diào)入的洽沟，這樣便可以根據(jù)主存訪存地址的塊號來相聯(lián)比較目錄表中的主存塊號，若找到一條表項蜗细，且有效位為1裆操，說明該主存塊已經(jīng)被調(diào)入了cache，此時目錄表中的cache塊號對應(yīng)的cache塊內(nèi)容實質(zhì)上就是主存地址的主存塊號存放的內(nèi)容炉媒，于是便可以直接按照目錄表中的cache塊號和主存地址的塊內(nèi)地址訪問cache
  全相聯(lián)映射的地址變換
  
  全相聯(lián)映射的地址變換
• 直接映射及其地址變換
  • 直接映射：指主存中的塊只能映射到cache中某個固定的塊中踪区，
  • 主存塊和cache塊對應(yīng)關(guān)系公式：
    j = i mod 2^c
    • j 為數(shù)據(jù)在cache中的塊號，i 為數(shù)據(jù)在主存中的塊號吊骤，即主存塊號模運算cache總的塊個數(shù)
  • 按照cache字塊個數(shù)將主存劃分為若干區(qū)缎岗，即主存每個區(qū)所包含的子塊數(shù)等于cache所包含的字塊數(shù)，且每個區(qū)內(nèi)每個字塊和cache的字塊按模關(guān)系一一對應(yīng)
  • 使用區(qū)表保存主存塊與cache塊映射關(guān)系
  • 區(qū)表組成：主存區(qū)號白粉，有效位传泊，區(qū)表有2^c個存儲字，常存放在高速緩沖存儲器中鸭巴，按地址訪問
  • 優(yōu)點：實現(xiàn)簡單眷细，地址變換速度快，缺點：不夠靈活奕扣，cache存儲空間得不到充分利用
    

直接映射

• 區(qū)表的表項個數(shù)和Cache中塊的個數(shù)相同薪鹦，于是可以建立二者之間的一一對應(yīng)關(guān)系，即第 i 個區(qū)表表項，就是第 i 個cache塊和主存每個區(qū)內(nèi)對應(yīng)第 i 個字塊的映射關(guān)系池磁，這樣便可以按cache塊號作為地址訪問區(qū)表奔害，因為每個主存區(qū)的字塊個數(shù)和cache塊個數(shù)相同，即每個主存區(qū)內(nèi)都有一個字塊可以映射到某個cache塊地熄，于是可以看是否有哪個區(qū)對應(yīng)的這一字塊被調(diào)入了cache华临，若在區(qū)表中找到對應(yīng)表項，此時只能說明有某個區(qū)的對應(yīng)字塊已經(jīng)調(diào)入了cache端考，但是仍然不能確定是否是CPU訪存需要的數(shù)據(jù)雅潭，還需進行區(qū)號比較，若區(qū)號也相同却特，則可以確定CPU要訪問的數(shù)據(jù)已經(jīng)在Cache中了
  直接映射地址變換過程
  
  直接映射地址變換過程
• 組相聯(lián)映射及其地址變換
  • 主存和cache的塊都先進行分組扶供，主存和cache每組包含的塊數(shù)相同
  • 組間采用直接相聯(lián)映射，組內(nèi)采用全相聯(lián)映射
  • 如圖cache被分成2^u組裂明，每組2^v塊椿浓，主存共有2^s個區(qū)，每個區(qū)有2^u組
    
    組相聯(lián)映射方式
    
    組相聯(lián)映射的地址變換
  • 使用塊表記錄從主存地址到cache地址的映射關(guān)系
  • 塊表容量大忻龌蕖：2^u+v個存儲字扳碍，即cache的總字塊容量大小
  • 每個塊表存儲字主要包含：區(qū)號，組號仙蛉，組內(nèi)塊號笋敞，有效位等字段
  • 塊表采用混合工作方式，塊內(nèi)按照相聯(lián)方式訪問荠瘪，塊間進行按地址訪問
  • n路組相聯(lián)指每組n塊
  • 組相聯(lián)地址變換過程
    • 由于組間是直接映射方式夯巷，所以cache中的每個組，主存中每個區(qū)內(nèi)都對應(yīng)有唯一一個組可以映射到對應(yīng)位置巧还，這里可以認為塊表有 2^u 行鞭莽，即cache中每一組對應(yīng)塊表中的一行坊秸，于是可以先直接按照主存地址的組號U字段作為地址訪問塊表麸祷，看是否主存的某個區(qū)對應(yīng)組調(diào)入了cache，若按組號U字段作為地址訪問塊表找到了某一塊表項褒搔，此時只能說明有某個區(qū)的對應(yīng)組調(diào)入了cache阶牍，不能確定是否是CPU訪存對應(yīng)的區(qū)和對應(yīng)的組內(nèi)塊號(因為組內(nèi)是全相聯(lián)，組任意塊都可以映射到對應(yīng)Cache組的任意Cache塊)星瘾，于是需要對區(qū)號和組內(nèi)塊號進行相聯(lián)比較走孽，若相符，則可以確定CPU要訪問的存儲單元已經(jīng)調(diào)入了cache
      
      組相聯(lián)地址變換過程

組相聯(lián)映射

• 替換算法
  • 隨機算法(RAND)：不考慮cache中各塊使用情況琳状，隨機選擇一個塊作為替換對象磕瓷。特點：實現(xiàn)簡單，速度快，缺點：沒有利用程序局部性特點困食，隨意替換出去的數(shù)據(jù)很有可能馬上又要使用边翁，降低了命中率和cache工作效率
  • FIFO先進先出算法：最先調(diào)入cache的主存塊被替換出去，不需記錄各塊使用情況硕盹，故硬件實現(xiàn)容易符匾，系統(tǒng)開銷小
  • LRU (Least Recently Used) 近期最少使用算法：以cache中每塊的歷史使用情況為依據(jù)，在需要替換時將近期最少使用的塊替換出去瘩例，較好反映了程序的局部性原則啊胶，對循環(huán)程序有較高命中率，需記錄cache中各字塊的使用情況垛贤，故實現(xiàn)復雜焰坪，開銷大，需為每個字塊設(shè)置計數(shù)器
  • LFR (Least Frequently Used) 最不經(jīng)常使用算法：將訪問次數(shù)最少的塊替換出去聘惦，需為每個字塊設(shè)置計數(shù)器琳彩，記錄每個cache塊的訪問次數(shù)，當需要替換時部凑，將計數(shù)值最小的塊替換出去露乏，同時將所有塊的計數(shù)值清零，缺點：不能反映最近的訪問情況涂邀，只能反映兩次替換時間間隔內(nèi)的使用情況
• cache寫操作及一致性
  • 造成cache與主存內(nèi)容不一致的原因主要有如下兩種：
    • CPU對cache執(zhí)行寫操作瘟仿，但沒有立即寫主存
    • I/O設(shè)備寫主存，但沒有同時寫cache
  • 常見的寫策略如下：
    • 寫直達法 (Write Through)：CPU執(zhí)行寫操作時比勉，將數(shù)據(jù)同時寫入主存和cache劳较，優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，cache和主存內(nèi)容始終保持一致浩聋，缺點：頻繁訪存降低平均訪存速度
    • 寫回法 (Write Back)：CPU執(zhí)行寫操作時观蜗，數(shù)據(jù)只寫入cache，不同時寫入主存衣洁，只有當cache中某個字塊需要替換出去時墓捻，才把修改過的cache塊寫回主存，坊夫，優(yōu)點：減少訪存次數(shù)砖第，有利于提高平均訪存速度，缺點：增加了cache復雜性环凿，存在主存與cache內(nèi)容不一致問題梧兼，影響系統(tǒng)可靠性，寫回法可分為如下兩種
      • 簡單寫回法：無論字塊是否被更新智听，都進行寫回操作羽杰，
      • 采用標志位寫回法：只在塊被更新時渡紫，才進行寫回操作
  • CPU執(zhí)行寫操作時，若在cache中未命中考赛，存在寫時是否取問題腻惠，解決方法如下兩種：
    • 不按寫分配法：cache寫不命中時，只執(zhí)行對主存的寫入操作
    • 按寫分配法：cache寫命中時欲虚，首先執(zhí)行寫主存操作集灌，然后將該主存塊從主存調(diào)入cache
      寫回法一般采用按寫分配法，寫直達法采用不按寫分配法
• 多級cache
  • 數(shù)據(jù)cache和指令cache复哆，分開的好處

4.硬磁盤存儲器

• 由一組盤片組成欣喧，稱為磁盤的盤片組，盤片組固定在一個主軸上梯找，盤面中心是空心的唆阿，不能記錄信息
• 每個盤面的有效記錄區(qū)被劃分為數(shù)目相等，由內(nèi)向外排列的同心圓锈锤，這些同心圓間距相等驯鳖，稱為磁道
• 啟停區(qū)(著陸區(qū))：磁頭靠近主軸表面，即線速度最小的地方久免，這個區(qū)域不存放任何數(shù)據(jù)浅辙，稱為啟停區(qū)(著陸區(qū))
• 數(shù)據(jù)區(qū)：啟停區(qū)之外就是數(shù)據(jù)區(qū)，通常從最外側(cè)磁道開始編號阎姥，起始磁道號為0
• 不同盤面上具有相同磁道號的磁道形成一個柱面
• 柱面數(shù) = 磁道數(shù)
• 每個盤面對應(yīng)一個磁頭记舆，磁頭從上到下從0開始編號
• 對文件進行寫入操作通常按柱面進行，即磁頭讀/寫數(shù)據(jù)時首先在同一柱面內(nèi)從0磁頭開始進行操作呼巴，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進行操作泽腮，只有同一柱面所有磁頭全部讀/寫完畢后磁頭才移動到下一柱面，這樣設(shè)計的目的：為了提高讀寫效率衣赶，因為選取不同磁頭是通過電子切換完成诊赊，而選取不同的柱面必須進行機械動作來完成磁頭的移動
• 一個磁道通常被分成若干圓弧線，稱為扇區(qū)府瞄，一個磁道上碧磅，所有扇區(qū)是等長度的
• 硬盤以扇區(qū)為單位進行存取，因此硬盤的可尋址最小單位為扇區(qū)
• 定長記錄格式：每個扇區(qū)中存放的數(shù)據(jù)塊大小固定摘能，特點：簡單续崖，空間利用率不高
• 不定長記錄格式：扇區(qū)中存放的數(shù)據(jù)塊大小可變，外圈磁道可以比內(nèi)圈磁道存儲更多的字節(jié)团搞，特點：靈活性好，空間利用率高

• 硬盤存儲信息定位常用地址格式：

  
  
  • 柱面號即磁道號多艇，盤面號也可以用磁頭號
• 磁盤進行讀寫時逻恐，大致分為兩個步驟
  • 定位柱面(磁道)：磁盤驅(qū)動器進行尋道操作，即確定需操作的柱面，定位驅(qū)動系統(tǒng)帶動磁頭做徑向運動
  • 定位扇區(qū)：主軸系統(tǒng)帶動磁盤組進行旋轉(zhuǎn)复隆，將需讀寫的扇區(qū)移動到磁頭上/下方
• 硬盤技術(shù)參數(shù)
  • 容量
    • 道密度：盤面徑向上單位長度內(nèi)磁道數(shù)量
      一個盤片的磁道總數(shù) = 道密度 * 盤片有效半徑
    • 位密度：盤面磁道上單位長度所能記錄的二進制位數(shù)
      一個磁道的容量 = 位密度 * 磁道周長
    • 非格式化容量：
      硬盤容量 = 硬盤個數(shù) * 磁盤記錄面數(shù) * 磁道數(shù) * 磁道容量
      =硬盤個數(shù) * 磁盤記錄面數(shù) * 道密度 * 盤片有效半徑 * 位密度 * 磁道周長
    • 格式化磁道容量：
      硬盤容量 = 硬盤個數(shù) * 磁盤記錄面數(shù) * 磁道數(shù) * 每道扇區(qū)數(shù) * 扇區(qū)容量
  • 平均尋址時間：磁頭從起始位置到達目標磁道位置拨匆，且定位到目標磁道上目標扇區(qū)所需的平均時間
    • 平均尋址時間 = 平均尋道時間 + 平均等待時間
    • 平均尋道時間：磁頭到達目標數(shù)據(jù)所在磁道平均時間
    • 平均等待時間：到達所訪問扇區(qū)的平均時間，一般取盤片旋轉(zhuǎn)一周時間的一半
      • 平均等待時間 = (1 / 轉(zhuǎn)速) / 2
      • 轉(zhuǎn)速：單位時間硬盤盤片旋轉(zhuǎn)圈數(shù)
  • 數(shù)據(jù)傳輸率：讀寫數(shù)據(jù)時挽拂，單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量惭每，單位字節(jié)/秒(B/s)

5.虛擬存儲器

虛擬存儲器：就是將一部分硬磁盤空間作為主存來使用，使得計算機的存儲系統(tǒng)容量上接近輔存亏栈，速度上接近主存台腥，成本上接近輔存每位價格

• 程序員可使用比主存大得多的存儲空間，按虛存空間編址
• 交換信息的基本單位：段绒北，頁黎侈，段頁
• 虛擬存儲器和Cache的區(qū)別對比

• 虛擬地址：程序員編程時使用的地址蛛碌，即邏輯地址，對應(yīng)存儲空間稱為虛擬地址空間
• 物理地址：即主存地址(實地址)辖源，主存空間被稱為物理地址空間
• 輔存地址：輔助存儲器的地址
• 程序重定位：對程序進行虛擬地址到物理地址變換的過程
  • 靜態(tài)重定位：程序裝入主存時一次性完成地址變換蔚携，且程序執(zhí)行過程中不再改變，因靈活性差很少使用
  • 動態(tài)重定位：即在目標程序執(zhí)行過程中克饶，CPU訪存前酝蜒，由硬件地址映射機構(gòu)完成將要訪問的指令或數(shù)據(jù)的虛擬地址向主存物理地址的變換，即地址變換時在程序執(zhí)行期間隨著每條指令讀取和數(shù)據(jù)訪問自動進行的矾湃，特點：需硬件支持亡脑，支持程序浮動，便于利用零散的內(nèi)存空間邀跃，有利于實現(xiàn)信息共享和虛擬存儲
• 虛擬存儲器基本思想：程序執(zhí)行時霉咨，按照程序執(zhí)行順序將程序的一部分調(diào)入主存，其他部分保留在輔存拍屑。當需要執(zhí)行存放在輔存中的程序段時途戒，CPU按照某種調(diào)度算法以頁，段等為單位將其調(diào)入主存僵驰。硬件和軟件(操作系統(tǒng))共同自動實現(xiàn)對存儲信息的調(diào)度和管理喷斋，基本步驟如下：
  • 對CPU發(fā)出的訪存地址(虛擬地址)進行內(nèi)部地址變換唁毒，判斷該地址對應(yīng)的存儲單元是否在主存中
  • 若在主存，則使用物理地址訪問主存
  • 否則執(zhí)行外部地址變換星爪，確定該地址對應(yīng)存儲單元在輔存的地址
  • 若主存有空閑塊浆西，則將該存儲塊內(nèi)容從輔存調(diào)入主存，否則使用替換算法將該存儲塊替換到主存顽腾，然后CPU訪問主存單元
• 虛擬存儲器的地址映射及變換
  • 虛擬存儲器的地址映射：把虛擬地址空間映射到主存地址空間
  • 虛擬存儲器的地址變換：程序被裝入主存后近零，實際運行時，把用戶的虛擬地址變成主存的物理地址(內(nèi)部地址變換)或磁盤存儲器地址(外部地址變換)
  • 頁式虛擬存儲器
    • 用固定大小的頁描述邏輯地址空間抄肖，同樣大小的頁描述物理內(nèi)存空間久信，程序運行時以頁為單位進行調(diào)入調(diào)出
    • 主存中的頁稱為物理頁，實頁憎瘸，虛存中的頁稱為邏輯頁入篮，虛頁
    • 物理地址和邏輯地址計算方法：
      物理(邏輯)地址 = 頁大小 * 頁面號 + 頁內(nèi)地址
    • 頁表完成頁管理和地址變換，頁表位于主存幌甘，虛存中每個頁面對應(yīng)一個頁表表項
    • 頁表表項內(nèi)容：虛存頁面所在主存頁面號(物理頁號)潮售，有效位(指示該邏輯頁是否已調(diào)入主存)
    • 頁表起始地址由頁表基址寄存器給出，用邏輯頁號作為頁表偏移地址檢索頁表锅风，且首先判斷該頁是否已經(jīng)調(diào)入主存(有效位為1)酥诽，若已經(jīng)調(diào)入主存，則進行內(nèi)部地址變換獲得物理地址并訪問主存
    • 優(yōu)點 ：主存利用率高皱埠，頁表格式簡單肮帐，地址映射及變換簡單，地址變換塊边器，調(diào)入操作簡單训枢，缺點：頁的長度固定，不利于編程獨立性忘巧，程序及數(shù)據(jù)的保護及調(diào)入調(diào)出困難
  • 頁式虛擬存儲器的地址變換
    • 因為頁表的表項個數(shù)和虛存的頁面?zhèn)€數(shù)相等恒界，故可以認為頁表中，從頁表基地址開始順序編址砚嘴，每一個頁表項對應(yīng)一個虛存頁面十酣，故可以按照虛擬地址的邏輯頁號作為地址訪問頁表，得到的頁表項际长，肯定能找到一個頁表項耸采，此時重要的是需要看有效位是否為1，只有有效位為1才說明該虛頁已經(jīng)被調(diào)入了主存工育，且此時頁表中該表項中存儲的主存頁面號虾宇，與CPU訪存提供的頁內(nèi)地址拼接便形成實際的物理地址

頁式虛擬存儲器地址變換

• 快表：為了減少訪存次數(shù)，通常將頁表中最常用的部分保存在cache中翅娶，這部分頁表稱為快表文留，可極大提高地址變換的效率
• TLB變換后援緩沖器：緩存快表的高速存儲部件好唯，大多采用相聯(lián)存儲技術(shù)竭沫，按內(nèi)容查找燥翅，利用了程序訪問的局部性
• 慢表：保存在主存中的完整頁表
• 使用TLB后的地址變換過程

使用快慢表的虛擬存儲的地址變換

• 段式虛擬存儲器
  • 基本思想：按照程序的邏輯結(jié)構(gòu)劃分段，主存以段為單位進行分配
  • 每個段的長度可以不同
  • 通過段表對每道程序管理蜕提，段表一般也是位于主存中
  • 每個程序段對應(yīng)段表一個表項森书，段表表項主要內(nèi)容：有效位，段起址(指明該段在實存的首地址)谎势，段長度 凛膏，這里區(qū)分段起始地址和段表起始地址。
  • 段表的起始地址由段表基址寄存器給出
  • 段式虛擬存儲器的地址變換
    • 段表中的表項脏榆，按順序存儲程序按邏輯被劃分的若干段猖毫，即每個程序段在段表有唯一一個表項存儲映射關(guān)系，第一個表項存儲第一段程序段须喂，段表表項的段起址字段存放這個程序段在主存中的起始地址，當段表對應(yīng)表項的有效位為1時，此時CPU訪存地址的段內(nèi)地址作為偏移量與段表中對應(yīng)表項的段起址字段相加形成實際訪存的物理地址

段式虛擬存儲器的地址變換

• 段頁式虛擬存儲器
  • 主存物理空間等分為頁
  • 程序先按邏輯結(jié)構(gòu)分段伊者，每段再分成與物理空間頁同樣小的頁面
  • 程序以頁為單位進行調(diào)入調(diào)出操作喜每，但以段為單位進行編程，保護和共享
  • 通過一個段表和一組頁表進行管理是己，即每個程序段都有若干頁又兵，這些頁被存儲在一個頁表中，若干段就有一組頁表卒废。
  • 段表每個表項對應(yīng)一個段沛厨，內(nèi)容包括：該段的頁表起始地址，頁表長度
  • 優(yōu)點：同時具備段式和頁式虛存的優(yōu)點摔认，缺點：映射過程需多次查表逆皮，耗時大
  • 頁表每個表項給出：該段各頁在主存中的實頁號，是否裝入级野，已修改等狀態(tài)信息
  • 段頁式虛擬存儲器的地址變換
    • 由于每個程序段按順序與段表表項一一對應(yīng)页屠，故首先根據(jù)CPU訪存提供的虛擬地址的段號字段按地址訪問段表，找到對應(yīng)段的段表表項信息蓖柔，表項信息中的頁表地址字段給出該程序段對應(yīng)的頁表的起始地址辰企，而頁表中每個虛頁頁面按順序與頁表表項一一對應(yīng)，故頁表起始地址再與CPU訪存提供的虛擬地址的頁號字段相加作為地址訪問該程序段對應(yīng)的頁表的頁表項况鸣，確定了該虛頁對應(yīng)的物理頁號牢贸，這個物理頁號再于CPU訪存地址的頁內(nèi)地址相加便形成最終的訪存物理地址

  段頁式虛擬存儲器的地址變換