考研计算机组成原理总结（7）

一.虚拟存储器

1.基本知识

主存和辅存共同构成了虚拟存储器，二者在硬件和系统软件的共同管理下工作。对于应用程序员而言，虚拟存储器是透明的。虚拟存储器具有主存的速度和辅存的容量。

2.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或程序空间。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。虚地址比实地址要大很多。

3.结构图和分类

分类：

页式存储器
段式存储器
段页式存储器

二.补充知识点

1.说明

本来这里是针对三种虚拟存储器技术进行详细介绍的，但是这三种虚拟存储器各自内容比较少，也很容易理解，这里就不一一列出，补充一个知识点即可。

2.补充

同时具有虚拟页式存储器（含TLB）和Cache系统访问顺序：TLB > 页表 > Cache > 主存 > 外存。

三.经典例题

为使虚拟存储系统有效地发挥其预期的作用，所运行程序应具有的特性是（）
A.不应含有过多的IO操作
B. 大小不应小于实际的内存容量
C.应具有较好的局部性
D.顺序执行的指令不应过多
解析：C。Cache和虚拟存储器技术的工作原理都是基于程序的局部性原理，提起特性，程序应当具备较好的局部性。
虚拟存储管理系统的基础是程序访问的局部性原理，此理论的基本含义是（）
A.在程序的执行过程中，程序对主存的访问是不均匀的
B.空间局部性
C.时间局部性
D.代码的顺序执行
解析：A。局部性原理的含义是在一个程序的执行过程中，其大部分情况下是顺序执行的，某条指令或数据使用后，在最近一段时间内有较大的可能再次被访问 (时间局部性):某条指令或数据使用后，其邻近的指令或数据可能在近期被使用(空间局部性)。在虚拟存储管理系统中，程序只能访问主存获得指令和数据，所以选项A正确，选项B、C、D均是局部性原理的一个方面而已。
关于虚拟存储器，下列说法中正确的是（）
I. 虚拟存储器利用了局部性原理V
II. 页式虚拟存储器的页面若很小，主存中存放的页面数较多，导致缺页频率较低，换页次数减少，最终可以提升操作速度
III.页式虚拟存储器的页面若很大，主存中存放的页面数较少，导致页面调度频率较高，换页次数增加，降低操作速度
IV.段式虚规存储器中，段具有逻辑独立性，易于实现程序的编译、管理和保护，也便于多道程序共享
A. I、II、IV
B. I、II、 III
C. I、II、IV
D. I、III 、IV
解析：A。页式虚拟存储器中，页面若很小，虚拟存储器中包含的页面数就会过多，使得页表的体积过大，导致页表本身占据的存储空间过大，使操作速度变慢，因此II错误。
当页面很大时，虚报存储器中的页面数会变少，由于主存的容量比虚报存储器的容量小，主存中的页面数会更少，每次页面装人的时间会变长，每当需要较入新的页面时，速度公交慢，因此III正确。
段式虚拟存储器是按照程序的逻辑性来设计的，具有易于实现程序的编译、管理和保护，也便于多道程序共享的优点，因此IV正确。
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，内容如下表所示。

则对虚地地址 03FF F180H进行实地址变换的结果是（）
A. 015 3180H
B.003 518OB
C. TLB缺失
D.缺页
解析：A。按字节编址，页面大小为4KB,页内地址共12位。地址空间大小为4GB.虚拟地址共32位，前20位为页号。虚拟地址为03FF F180H，因此页号为03 FFH页内地址为180H。查找页标记03FFFH所对应的页表项，页框号为0153H，页框号与页内地址拼接即为物理地址015 3180H。
理解：这题才是今天的重点，理解这道题你虚拟存储器（计算机组成原理）这一块就理解了，操作系统中更详细，但现在只谈计算机组成原理。

四.虚拟存储器和Cache的比较

1.相同之处

最终目标都是为了提高系统性能，两者都有容量、速度、价格的梯度。
都把数据划分为小信息块，并作为基本的传递单位，成存系统的有真块更大
都有地址的映射、替换算法、更新策略等问题。
依据程序的局部性原理应用“快速缓存的思想”，将活跃的数据放在相对高速的部件中。

2.不同之处

Cache主要解决系统速度，而虚拟存储器却是为了解决主存容量。
Cache完全由硬件实现，是硬件存储器，对所有程序员透明；而虚拟存储器由OS和硬件共同实现，是逻辑上的存储器，对系经程许员不透明，但对应用程序员透明
对于不命中性能影响，因为CPU的速度的为Cade的10倍。主存的道度为硬盘的100倍以上，因此虚拟存储器系统不命中时对系统性能影响更大。
CPU与Cache和主存都建立了直接访间的通路，面辅存与CPU没有直接道路，也就是说在Cache不命中时主存能和CPU直接通信，同时将数据调入Cache；而虚拟存储器系统不命中时，只能先由硬盘调入主存，而不能直接和CPU通信。