《計算機組成與設計》閱讀筆記——虛擬存儲器

虛擬存儲器（VM）
- 主存也可以成爲磁盤的cache，這項技術叫做虛擬存儲器
- 每個程序有自己獨立的內存空間
- 主存只要存放程序中活躍的那一部分即可，這也是局部性原理
- VM和cache的原理是一樣的，不過VM中塊被叫做頁
- 採用全相聯的方式組織
  - 降低了缺失率
  - 可以使用複雜的替換機制優化
  - 由於使用了頁表，不需要進行查找
  - 和直接映射組織法很像，主要區別是多了一個額外的頁表，同時可以在任意位置替換，而不是一一對應
構造動機
- 允許在多個程序之間同時安全地共享存儲器
- 消除有限的主存容量對程序設計的限制
虛擬地址
- 虛擬地址可以比物理地址長
- 虛擬地址由處理器產生，再由頁錶轉換成物理地址（即主存中的地址）
- 連續的虛擬地址可以被映射到不連續的物理地址
  - 這種重定位允許我們將程序加載到主存的任意位置
- 多個虛擬地址可以映射到同一個物理地址
  - 這使得不同的程序可以共享一部分代碼
- 虛擬地址分割爲虛擬頁號和頁內偏移
  - 物理頁和虛擬頁一樣大
  - 虛擬頁號轉換爲物理頁號，偏移不變

頁表
- 存放在主存中
- 以虛擬頁號爲索引，存放物理頁號
- 每個程序都有私有的頁表
  - 每個程序都有一個頁表寄存器指向相對的頁表開頭
  - 只保存寄存器，並不保存整個頁表
- 更新頁表由操作系統負責
- 頁表不需要tag,因爲包含了每個可能的虛擬頁的映射
- 減少頁表大小
  - 使用多級頁表，未被使用的虛擬內存段在第二級即以上不分配頁表項
  - 將未使用的頁表放入磁盤中
缺頁
- 操作系統在創建一個進程（程序）的時候會在磁盤上單獨分配一部分空間來儲存物理頁
  - 這個區域被稱作交換區
  - 同時會創建一個數據結構（新頁表）來儲蓄物理頁到磁盤頁的映射，這個結構可能是頁表的一部分，也可能單獨存放在主存上
- 缺頁後被換出的物理頁被寫入交換區
- 由於寫的時間很長，因此最好採用回寫法
- 由於對於磁盤訪問時間傳輸數據的時間要少很多，因此把整個頁通過寫回法放入磁盤中更好
快表（TLB）
- 由於頁表儲存在主存中，每次訪問虛擬地址需要訪問兩次主存
  - 第一次獲得物理地址
  - 第二次獲得數據
- 對於頁項的使用也具有局部性
- 通過一個特殊的cache（TLB)存儲最近使用過的頁表項
  - 全相聯組織
結合主存的cache和頁表的cache（TLB）
- cache採用物理地址
  - 先要訪問TLB再訪問cache，如下1圖
- cache採用虛擬地址
  - 直接通過虛擬地址訪問cache，當cache缺失時轉成物理地址，如下2圖
  - 問題是可能不同程序將不同的虛擬地址映射到同一個物理地址，於是同一個物理地址中的數據可能存在於cache中不同的位置，兩個程序不知道相互間的數據變化
- 如果頁表發生缺頁，那麼cache不可能命中.如下3圖