（计算机组成原理）虚拟存储器

虚拟存储器的容量是虚拟的，实际上并没有这么多容量，之所以能达到这么大容量，是因为借用了外存的存储空间，把当前不需要访问的数据存放在外存，用内外存数据倒换的时间消耗来换取更大的逻辑存储空间。

虚拟存储器是一个逻辑模型，并不是一个实际的物理存储器。
虚拟存储器必须建立在主存-辅存结构基础上，虚拟存储器允许使用比主存容量大得多的地址空间，并不是虚拟存储器最多只允许使用主存空间；虚拟存储器每次访问时，必须进行虚实地址变换，而非虚拟存储器则不必。
虚拟存储器的作用是分割地址空间，解决贮存的容量问题和实现程序的重定位。
虚拟存储器和Cache都基于程序局部性原理。两者的相同点：都把程序中最近常用部分驻留在高速的存储器中；一旦这部分不用再送回低速存储器。这种换入换出操作都是由操作系统或者硬件完成，对用户透明。

两者的不同点：Cache用硬件实现，虚拟存储器用操作系统和硬件相结合实现；Cache是一个物理存储器，虚拟存储器是一个逻辑存储器，其物理结构建立在主存-辅存结构上。

虚拟存储器的大小应该由哪些因素决定？

例如，32位地址总线的计算机，虚拟存储器的大小为4GB，但实存未必有这么大，实存由计算机的内存条大小决定，如插1G的内存条，内存就是1GB。如果我要编制一个程序，空间大小为4GB，那剩下的3GB从何而来？虚拟存储器的大小虽说可以随意调节（最大可以调节主存+磁盘总容量），不由地址线决定。但那么大的虚拟存储器没有意义，例如地址线32根，最多只能找到4GB个存储单元大小的空间，那设置成100G的虚拟存储空间毫无意义，因为根本找不到那部分的地址单元。因此统一化虚拟存储器的容量由计算机地址总线数量决定。

页式虚拟存储器

页式虚拟存储器就是将其基本单位划分为页，且将主存的物理空间划分为虚拟存储器等长的页。划分的页称为页面，主存的页称为实页，虚拟存储器的页称为虚页

优点：由于页面的起点，终点地址是固定的，因此页表简单，调入方便，主存空间浪费小

缺点：由于页面不是逻辑上的独立实体，因此处理，保护和共享都不如段式虚拟存储器方便。

段式虚拟存储器

段式虚拟存储器是一种将主存按段分配的存储管理方式，各段的长度因程序而异。段是利用程序的模块化性质，按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分，系统的基本信息传送单位为段，并通过地址变换机构实现访存过程。

优点：段的分界与程序的自然分界相对应；段的逻辑独立性使它易于编译，管理，修改和保护，也便于多道程序共享；某些类型的段（堆栈，队列）具有动态可变长度，允许自由调度以便于有效利用主存空间。

缺点：段的长度各不相同，段的起点和终点不定，給主存空间分配带来麻烦，造成空间浪费。

段页式虚拟存储器

段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式存储器的结合。

在这种方式中，把程序按逻辑单位分段之后，再把每个段分成固定大小的页。程序对主存的调入/调出是按页面进行的，但它又可以按段实现共享和保护。

优点：兼备页式存储器和段式虚拟存储器的优点。

缺点：在地址映射过程中需要多次查表

TLB（快表）

在虚拟存储器中，如果不采取有效措施，访存速度就会大大降低，这是因为在页式和段式虚拟存储器中，必须先查页表或段表，而在段页式虚拟存储器中既要差页表也要查段表。为了加快查找速度，利用程序在执行过程中具有局部性的特点（例如Cache），将页表分为快表与慢表。一般的页表称为慢表，放在主存中。将当前最常用的页表信息放在一个小容量的高速存储器中，称为快表。在访问页面时，在快表中查找对应的页表项，若找到了，则通过该页表项查找对应的页面；若在快表中未找到所需要的页面，则再到慢表中查找。综上分析，若TLB命中，则页表一定命中。

牛刀小试

1.对36位虚拟地址的页式虚拟存储系统，每页8KB，每个页表项为32位，页表的总容量为多少？

虚拟地址大小：36位 $=2^{^{36}}$ 位共64GB

页表项数目：64GB/8KB= $2^{36}/2^{13}$ $=2^{23}$

页表总容量=页表项数目×每个页表字节数= $2^{23}\times \left ( 32/8\right )$ = $2^{27}$ =32MB

2.某计算机主存地址空间大小为256MB，按字节编址。虚拟地址空间大小为4GB，采用页式存储管理，页面大小为4KB，TLB（快表）采用全相联映射，有4个页表项如图

则对虚拟地址03FFF180H进行虚实地址变换的结果是（）

因为页面大小为4KB，所以页地址为12位。因此03FFF180H中的180H为页内地址，故页号为03FFFH查表得页框号为0153H，于是将页框号与页内地址进行拼接，既可以得到虚实地址变换的结果是0153180H。