虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制與高速緩存Cache機(jī)制很類似，高速緩存Cache是緩存了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，虛擬存儲(chǔ)器是在內(nèi)存中緩存了磁盤(pán)的數(shù)據(jù)。如果虛擬存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)不存在，那么需要從磁盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)，然后放入內(nèi)存。由于磁盤(pán)的速度要比內(nèi)存慢10萬(wàn)倍，所以除了必要的情況，應(yīng)盡量少的從磁盤(pán)反復(fù)讀取數(shù)據(jù)。虛擬存儲(chǔ)器采用全相聯(lián)映射方式，所以每個(gè)虛擬地址可以映射到內(nèi)存的任何一個(gè)空閑位置，因此與Cache類似，虛擬存儲(chǔ)器必須有一種方法確定每個(gè)進(jìn)程虛擬地址對(duì)應(yīng)內(nèi)存的位置或磁盤(pán)位置，其的映射方式有3種：分頁(yè)式、分段式和段頁(yè)式，下面一起來(lái)看看：
1.分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器
分頁(yè)式存儲(chǔ)器把內(nèi)存和虛擬地址空間都劃分成大小相等的頁(yè)面，磁盤(pán)和內(nèi)存按頁(yè)面為單位交換信息。通常把虛擬地址空間的頁(yè)面成為虛擬頁(yè)/邏輯頁(yè)(VP)，內(nèi)存中的頁(yè)面成為頁(yè)框/物理頁(yè)(PP)。
1.1頁(yè)表
操作系統(tǒng)在內(nèi)存中給每個(gè)進(jìn)程生成一個(gè)頁(yè)表，頁(yè)表中對(duì)應(yīng)每個(gè)虛擬頁(yè)都有一個(gè)表項(xiàng)，表項(xiàng)內(nèi)容包括存放位置字段、裝入位、修改位、替換控制位、存取權(quán)限位、禁止緩存位。它們的作用分別如下：
①存放位置字段：用來(lái)建立虛擬頁(yè)和物理頁(yè)之間的映射，用于虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換
②裝入位：也稱有效位或存在位，為1表示磁盤(pán)數(shù)據(jù)已調(diào)入內(nèi)存，位置字段指向物理頁(yè)號(hào)。為0表示磁盤(pán)數(shù)據(jù)沒(méi)有被調(diào)入內(nèi)存，若位置字段為null則說(shuō)明此位置空閑，若不為null則說(shuō)明等待磁盤(pán)數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存
③修改位：標(biāo)識(shí)頁(yè)面是否被修改過(guò)，在執(zhí)行回寫(xiě)策略時(shí)根據(jù)此字段判斷是否需要把數(shù)據(jù)寫(xiě)回磁盤(pán)
④替換控制位：標(biāo)識(shí)頁(yè)面使用情況，配合替換策略設(shè)置
⑤訪問(wèn)權(quán)限位：標(biāo)識(shí)頁(yè)面是可讀可寫(xiě)、只讀、只可執(zhí)行，用于存儲(chǔ)保護(hù)
⑥禁止緩存位：標(biāo)識(shí)頁(yè)面是否可以裝入Cache，保證磁盤(pán)、內(nèi)存、Cache數(shù)據(jù)一致性
頁(yè)表、內(nèi)存、磁盤(pán)的映射示意圖如圖1所示：
圖1 映射示意圖
例如，CPU執(zhí)行一條指令需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)正好在虛擬頁(yè)VP1中，查詢頁(yè)表可知，VP1裝入位為1，對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)P(yáng)P0，這時(shí)就可以通過(guò)地址轉(zhuǎn)換部件把將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，然后訪問(wèn)PP0的數(shù)據(jù)。
如果數(shù)據(jù)在VP6中，VP6對(duì)應(yīng)的裝入位為0，表示頁(yè)面缺失，發(fā)生“缺頁(yè)”異常，需要操作系統(tǒng)進(jìn)行“缺頁(yè)”異常處理程序處理。“缺頁(yè)”異常處理程序根據(jù)頁(yè)表中VP6對(duì)應(yīng)的存放位置字段，從磁盤(pán)中將數(shù)據(jù)讀出，然后找一個(gè)空閑的物理頁(yè)框存放，若內(nèi)存中沒(méi)有空閑的頁(yè)框，則選擇一個(gè)頁(yè)面替換到磁盤(pán)上。
因?yàn)椴捎脤?xiě)回策略，所以頁(yè)面淘汰時(shí)，需要根據(jù)修改位確定是否要寫(xiě)回磁盤(pán)。缺頁(yè)處理過(guò)程中需要對(duì)頁(yè)表進(jìn)行相應(yīng)的更新。缺頁(yè)異常處理結(jié)束后，程序回到原來(lái)發(fā)生缺頁(yè)的指令繼續(xù)執(zhí)行。
對(duì)于VP0和VP4，隨著進(jìn)程的動(dòng)態(tài)執(zhí)行，這些頁(yè)面可能就會(huì)有了具體的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)調(diào)用malloc函數(shù)時(shí)，堆區(qū)增長(zhǎng)，新增的堆區(qū)正好與VP4對(duì)應(yīng)，則操作系統(tǒng)就在磁盤(pán)上分配一個(gè)存儲(chǔ)空間給VP4，同時(shí)把VP4頁(yè)表項(xiàng)中的存放位置字段填上，對(duì)應(yīng)的就是磁盤(pán)上的起始地址。之后便等待訪問(wèn)到這頁(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，再次執(zhí)行上面的缺頁(yè)異常流程，讀取數(shù)據(jù)。
1.2地址轉(zhuǎn)換
上面說(shuō)完了頁(yè)表、內(nèi)存、磁盤(pán)的映射關(guān)系和數(shù)據(jù)讀取流程，其中有個(gè)環(huán)節(jié)是需要把虛擬地址轉(zhuǎn)換為真正的物理地址，轉(zhuǎn)換工作由CPU中的存儲(chǔ)器管理部件(MMU)完成，具體做法如下：
①虛擬地址分為兩部分：高位為虛擬頁(yè)號(hào)，低位為頁(yè)內(nèi)偏移地址
②物理地址也分為兩部分：高位是物理頁(yè)號(hào)，低位為頁(yè)內(nèi)便宜地址
③每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)頁(yè)表基址寄存器，存放該進(jìn)程頁(yè)表首地址
④根據(jù)頁(yè)表基址寄存器找到對(duì)應(yīng)的頁(yè)表，由虛擬地址高位部分的虛擬頁(yè)號(hào)為索引，找到頁(yè)表項(xiàng)
⑤若裝入位為1，則取出對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)，然后和虛擬頁(yè)內(nèi)地址拼接，得到司機(jī)的物理地址
⑥如裝入位為0，則交給操作系統(tǒng)執(zhí)行“缺頁(yè)”處理
執(zhí)行流程如圖2所示：
圖2 執(zhí)行流程
1.3快表
從上述過(guò)程可以看出，每次訪問(wèn)內(nèi)存都需要先查頁(yè)表，然后根據(jù)規(guī)則找出物理地址，然后再訪問(wèn)實(shí)際的物理地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果發(fā)生缺頁(yè)，還要進(jìn)行頁(yè)表替換、頁(yè)表修改等操作，訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)就更多。采用虛擬存儲(chǔ)器，訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)增加了很多。那有沒(méi)有什么辦法減少訪問(wèn)次數(shù)，還能達(dá)到同樣的效果呢?
答案是可以的，我們可以把頁(yè)表中最活躍的幾個(gè)頁(yè)表項(xiàng)復(fù)制到高速緩存Cache中，這種高速緩存Cache中的頁(yè)表項(xiàng)組成的頁(yè)表稱為快表(TLB)。
這樣在進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)，先查看快表中是否命中，如果命中，則無(wú)需訪問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表即可。通過(guò)這種方式可大大降低內(nèi)存訪問(wèn)的次數(shù)，提升效率。
到此可以總結(jié)一下CPU訪問(wèn)數(shù)據(jù)的完整過(guò)程，如圖3所示：
圖3 CPU訪問(wèn)數(shù)據(jù)的完整過(guò)程
2.分段式虛擬存儲(chǔ)器
分頁(yè)方式的虛擬存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)是頁(yè)長(zhǎng)固定，易管理，不存在碎片。但缺點(diǎn)是頁(yè)長(zhǎng)與程序的邏輯大小無(wú)關(guān)。例如，某個(gè)時(shí)刻一段代碼有一部分在內(nèi)存中，另外一部分則在磁盤(pán)上，不利于編程時(shí)的獨(dú)立性，且給存儲(chǔ)保護(hù)和存儲(chǔ)共享造成了麻煩。所以又提出了分段式的存儲(chǔ)器。把一段程序按照類別劃分為段，例如方法、操作數(shù)、常數(shù)劃分到不同的段中，每個(gè)段都是一組相對(duì)完整的邏輯信息。這樣做的好處是可以按不同類型進(jìn)行存儲(chǔ)管理，也利于多個(gè)程序組合時(shí)，對(duì)同一段邏輯可以組合復(fù)用提供了便利。
分段的方式具體如下：
①虛擬地址由段號(hào)和段內(nèi)地址組成
②內(nèi)存按程序中的段劃分，每個(gè)段在內(nèi)存中的位置記錄在段表中
③每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)段表，每個(gè)段在段表中有一個(gè)段表項(xiàng)，標(biāo)識(shí)段的位置、長(zhǎng)度、訪問(wèn)權(quán)限、使用和裝入情況
分段存儲(chǔ)器把虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址流程如圖4所示：
圖4 虛擬地址與物理地址的轉(zhuǎn)換
2.1分段式虛擬存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)
①段的劃分與程序的自然分界相對(duì)應(yīng)
②段的易于編譯、管理、修改和保護(hù)，也便于多道程序共享
③段具有動(dòng)態(tài)可變長(zhǎng)度，允許自由調(diào)度以便利用內(nèi)存空間
2.2分段式虛擬存儲(chǔ)器缺點(diǎn)
①段的長(zhǎng)度不相同，起點(diǎn)和終點(diǎn)不固定，給內(nèi)存分配帶來(lái)麻煩
②容易在內(nèi)存中留下零碎空間，導(dǎo)致空間浪費(fèi)
3.段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器
段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器是結(jié)合了分頁(yè)式和分段式的優(yōu)點(diǎn)，具體方式如下：
①程序按模塊分段，段內(nèi)再分頁(yè)，用段表和頁(yè)表進(jìn)行兩級(jí)定位管理
②段表中每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)段，每個(gè)段表中包含一個(gè)指向該段頁(yè)表起始位置以及控制信息和保護(hù)信息
③頁(yè)表指明該段各頁(yè)在內(nèi)存中的位置和是否裝入、修改等狀態(tài)信息
④程序數(shù)據(jù)調(diào)入調(diào)出按頁(yè)進(jìn)行，又可以按段實(shí)現(xiàn)共享和保護(hù)。
缺點(diǎn)是地址映射過(guò)程需要多次查表。
每個(gè)用戶進(jìn)程有一個(gè)基號(hào)，標(biāo)識(shí)用戶進(jìn)程，進(jìn)程的段表起始地址存放在各自對(duì)應(yīng)的基地寄存器中，格式如圖5所示：
用戶進(jìn)程格式
圖5 用戶進(jìn)程格式
邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖6所示：
圖6 邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換
4.存儲(chǔ)保護(hù)
為了避免多個(gè)程序運(yùn)行時(shí)互相干擾，或者某個(gè)程序不合法地訪問(wèn)了其他程序的數(shù)據(jù)，應(yīng)該對(duì)每個(gè)程序進(jìn)行存儲(chǔ)保護(hù)，保護(hù)的對(duì)象包括操作系統(tǒng)和用戶程序。
(1)對(duì)操作系統(tǒng)存儲(chǔ)保護(hù)主要是硬件提供支持：
①支持至少2種運(yùn)行模式：管理模式、用戶模式，操作系統(tǒng)在管理模式下管理各種功能，用戶進(jìn)程運(yùn)行在用戶模式下
②部分CPU狀態(tài)只能由系統(tǒng)進(jìn)程寫(xiě)，用戶進(jìn)程只能讀：例如段表、頁(yè)表首地址、TLB內(nèi)容等
③提供讓CPU在管理模式和用戶模式之間切換的機(jī)制：通過(guò)“異常”處理讓CPU從用戶模式切換到管理模式，異常處理完成后通過(guò)“返回”指令讓CPU回到用戶模式
(2)對(duì)于用戶進(jìn)程的保護(hù)主要分為訪問(wèn)方式保護(hù)和存儲(chǔ)區(qū)域保護(hù)：
①訪問(wèn)方式保護(hù)：檢查“訪問(wèn)越權(quán)”，通過(guò)段表或頁(yè)表的訪問(wèn)權(quán)限位控制，例如共享區(qū)域只可讀不可寫(xiě)，程序段只可執(zhí)行或只讀，未授權(quán)區(qū)域不可訪問(wèn)等
②存儲(chǔ)區(qū)域保護(hù)：檢查“地址越界”，通過(guò)段頁(yè)的起始地址和終止地址控制
總結(jié)
以上就是虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)方法介紹了。虛擬存儲(chǔ)器是為了給用戶提供更大的隨機(jī)存取空間而采用的一種存儲(chǔ)技術(shù)。它將內(nèi)存與外存結(jié)合使用，好像有一個(gè)容量極大的內(nèi)存儲(chǔ)器，工作速度接近于主存，每位成本又與輔存相近，在整機(jī)形成多層次存儲(chǔ)系統(tǒng)。目前已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中非常重要的部分。
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