5.虛擬存儲(chǔ)的概念、作用和工作過程
（1）虛擬存儲(chǔ)的概念、作用
一般將由主存和部分輔存組成的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)稱為虛擬存儲(chǔ)器，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址稱為虛擬地址（邏輯地址），其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量稱為虛擬容量。將實(shí)際主存地址稱為物理地址或?qū)嵉刂罚�主存的容量稱為實(shí)存容量。
當(dāng)用虛擬地址訪問主存時(shí)，系統(tǒng)首先查看所用虛擬地址對(duì)應(yīng)的單元內(nèi)容是否已裝入主存。如果在主存中，可以通過輔助軟、硬件自動(dòng)把虛擬地址變成主存的物理地址后，對(duì)主存相應(yīng)單元進(jìn)行訪問。如果不在主存中，通過輔助的軟、硬件將虛擬地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容調(diào)入主存中，然后再進(jìn)行訪問。因此，對(duì)虛擬存儲(chǔ)器的每次訪問都必須進(jìn)行虛實(shí)地址的變換。
虛擬存儲(chǔ)器的作用是擴(kuò)大整個(gè)主存的容量，允許在程序中使用比主存容量大得多的虛擬存儲(chǔ)器。同時(shí)可以減輕人們編程中對(duì)程度進(jìn)行分塊的苦惱，從而提高軟件開發(fā)的效率。虛擬存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)利用小容量的主存運(yùn)行大規(guī)模的程序的一種有效的辦法。盡管實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)要增加一些額外的投資和軟件開銷，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)在各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中仍得到了廣泛的應(yīng)用。
虛擬存儲(chǔ)器必須建立在主存-輔存結(jié)構(gòu)上，但一般的主存-輔存系統(tǒng)并不一定是虛擬存儲(chǔ)器，虛擬存儲(chǔ)器與一般的主存-輔存系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別是:
①虛擬存儲(chǔ)器允許人們使用比主存容量大得多的地址空間來訪問主存，非虛擬存儲(chǔ)器最多只允許人們使用主存的整個(gè)空間，一般只允許使用操作系統(tǒng)分配的主存中的某一部分空間。
②虛擬存儲(chǔ)器每次訪問主存時(shí)必須進(jìn)行虛、實(shí)地址的變換，而非虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)則不必變換。
（2）虛擬存儲(chǔ)的工作原理
虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)際上是將編寫程序時(shí)所用的虛擬地址（邏輯地址）轉(zhuǎn)換成較小的物理地址。在程序運(yùn)行時(shí)隨時(shí)進(jìn)行這種變換。為了便于主存與輔存之間信息的交換，虛擬存儲(chǔ)器一般采用二維或三維的復(fù)合地址格式。采用二維地址格式時(shí)，將整個(gè)存儲(chǔ)器劃分為若干頁（或段），每個(gè)頁（或段）又包括若干存儲(chǔ)單元。采用三維地址格式時(shí)將整個(gè)存儲(chǔ)空間分為若干段，每段分為若干頁，每頁又包括若干存儲(chǔ)單元。根據(jù)地址格式不同，虛擬存儲(chǔ)器分為:頁式虛擬存儲(chǔ)器、段式虛擬存儲(chǔ)器和段頁式虛擬存儲(chǔ)器。
在虛擬存儲(chǔ)器中邏輯地址與物理地址之間的對(duì)應(yīng)稱為地址映象。通常有三種地址映象的方式:全相聯(lián)映象、直接映象和組相聯(lián)映象。①全相聯(lián)映象
任一邏輯頁能映象到實(shí)際主存的任意頁面位置稱為全相聯(lián)映象，通常利用頁表法進(jìn)行地址間的變換。
②直接映象
每個(gè)邏輯頁只能映象到一個(gè)特定頁面的方式稱為直接映象。如主存實(shí)際有2 P 頁，虛擬存儲(chǔ)器的邏輯空間有2 P 頁，則將邏輯空間按物理空間大小分為2 P -P塊，塊內(nèi)各頁只能映象到主存的相應(yīng)頁中。即所有各塊的第0頁對(duì)應(yīng)主存的第0頁，各塊的第n頁對(duì)應(yīng)主存的第n頁。若程序需要輪流使用第i塊和第j塊的第m頁，只能將兩頁交替在主存和輔存之間調(diào)入調(diào)出，形成存儲(chǔ)頁面的“抖動(dòng)”。③組相聯(lián)映象
組相聯(lián)映象方法是先按直接映象方法將虛擬存儲(chǔ)空間（邏輯空間）分成若干塊，在主存和邏輯空間中的各塊內(nèi)劃分為若干組，每個(gè)組間按直接映象方法控制。可以這樣理解，如果將組相聯(lián)映象方法中的組按直接映象方法的頁來看待，組相聯(lián)方法與直接映象方法相同，邏輯空間的各組內(nèi)的頁只能與對(duì)應(yīng)的物理空間組相聯(lián)。但在組內(nèi)各頁與物理空間的頁面之間采用全相聯(lián)映象方法處理。因此，可以認(rèn)為組相聯(lián)映象是全相聯(lián)映象和直接映象方法的結(jié)合。
6.緩沖技術(shù)使用
緩沖技術(shù)就是為緩解慢速設(shè)備對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度的影響，在計(jì)算機(jī)的某些部件中劃定一塊區(qū)域，模擬慢速設(shè)備的操作，將對(duì)慢速設(shè)備的操作先存放在此區(qū)域中，其他部件完成這一操作后可以繼續(xù)其他工作，而慢速設(shè)備可以用自己的速度逐漸完成相應(yīng)的操作。做為中間緩沖的區(qū)域稱為緩沖區(qū)，相應(yīng)的技術(shù)稱為緩沖技術(shù)。
在整個(gè)存儲(chǔ)體系的組織中，緩沖技術(shù)成為解決容量與速度之間矛盾的主要方法。實(shí)際上在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中緩沖技術(shù)解決了許多難題，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展。在存儲(chǔ)體系中，緩沖技術(shù)主要體現(xiàn)在Cache的應(yīng)用和磁盤緩沖的使用。
（1）Cache的原理和作用
Cache的工作原理基于對(duì)大量典型程序運(yùn)行實(shí)例的分析。分析結(jié)果表明，在較短的時(shí)間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間很小的范圍內(nèi)。指令地址的分布又是連續(xù)的，加上循環(huán)程序和子程序段的重復(fù)執(zhí)行，對(duì)這些地址的訪問自然具有時(shí)間上集中分布的傾向。這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問，而對(duì)此范圍外的地址訪問甚少的現(xiàn)象稱為程序訪問的局部性。程序訪問的局部性為Cache的引入提供了理論依據(jù)。
Cache是緩沖技術(shù)在存儲(chǔ)體系中的一個(gè)具體應(yīng)用。Cache處于主存與CPU之間，負(fù)責(zé)解決主存與CPU之間速度的協(xié)調(diào)問題。Cache中存放著主存的一部分副本（主存中的部分內(nèi)容），當(dāng)存儲(chǔ)器接到有關(guān)讀取指令時(shí)，先在Cache中查找此信息是否存在，若有則不經(jīng)主存直接從Cache中取出;否則直接從主存中取出，同時(shí)寫入Cache，以備再次使用。當(dāng)向存儲(chǔ)器寫入內(nèi)容時(shí)，由輔助硬件采用各種方法保證主存中的內(nèi)容同Cache中的內(nèi)容保持一致。

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