3.5 虚拟存储器

虚拟存储器的基本概念，页式虚拟存储器的页表与地址转换，快表 TLB，TLB—页表—Cache 的协同访问，以及段式与段页式虚拟存储器。

基本概念

虚拟存储器将主存或辅存的地址空间统一编址，形成一个庞大的地址空间，在这个空间内，用户可以自由编程，而不必在乎实际的主存容量和程序在主存中实际的存放位置。

• 用户编程允许涉及的地址称为虚地址或逻辑地址，虚地址对应的存储空间称为虚拟空间；
• 实际的主存单元地址称为实地址或物理地址，实地址对应的是主存地址空间，也称实地址空间。

CPU 使用虚地址时，由辅助硬件找出虚地址和实地址之间的对应关系，并判断这个虚地址对应的存储单元内容是否已装入主存。若已在主存中，则通过地址变换，CPU 可直接访问主存指示的实际单元；若不在主存中，则把包含这个字的一页或一段调入主存后再由 CPU 访问。若主存已满，则采用替换算法置换主存中的一页或一段。

页式虚拟存储器

以页为基本单位的虚拟存储器称为页式虚拟存储器。虚拟空间与主存空间都被划分成同样大小的页，主存的页称为实页或页框，虚存的页称为虚页。

页表

页表是一张存放在主存中的虚页号和实页号的对照表，它记录程序的虚页调入主存时被安排在主存中的位置。页表一般长久地保存在内存中。页表项通常包括：

页表基址寄存器存放当前进程页表的起始地址，地址转换时：页表项地址 = 页表基址 + 虚页号 × 页表项大小。

快表（TLB）

由地址转换过程可知，在不采用快表时，访问一个数据需要两次访存：第一次访问页表得到物理地址，第二次访问主存得到数据。为提高速度，依据程序执行的局部性原理，在一段时间内总是经常访问某些页时，若把这些页对应的页表项存放在高速缓冲器中，就可以节省访问页表的时间。这个专用的高速缓冲器称为快表，也称转换后援缓冲器（TLB），通常采用全相联或组相联方式，由相联存储器实现。

TLB、页表、Cache 的协同

具有 TLB 和 Cache 的多级存储系统中，CPU 给出虚拟地址后，先查 TLB（或页表）得到物理地址，再用物理地址查 Cache，Cache 缺失时再访问主存。三者的命中情况有以下组合：

段式与段页式虚拟存储器

• 段式虚拟存储器：段是按照程序的自然分界划分的长度可以动态改变的区域。虚拟地址分为段号和段内地址两部分，通过段表实现地址转换。优点是段的分界与程序的自然分界相对应，因而具有逻辑独立性，易于编译、管理、修改和保护，也便于多道程序的共享；缺点是因为段长度可变，分配空间不便，容易在段间留下碎片，不好利用，造成浪费。
• 段页式虚拟存储器：把程序按逻辑结构分段，每段再划分为固定大小的页，主存空间也划分为大小相等的页，程序对主存的调入、调出仍以页为基本传送单位。每个程序对应一个段表，每段对应一个页表，段的长度必须是页长的整数倍，段的起点必须是某一页的起点。虚地址分为段号、段内页号、页内地址三部分。优点是兼具页式和段式虚拟存储器的优点，可以按段实现共享和保护；缺点是在地址变换过程中需要两次查表，系统开销较大。

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