第11章虚拟记忆体技术和虚拟定址.ppt
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1、1,第 11 章 虛擬記憶體技術和虛擬定址,2,虛擬記憶體,虛擬記憶體隱藏實體記憶體的底層細節,提供另外一種更方便規劃的記憶環境。 虛擬記憶體建造虛擬的空間圖像 虛擬記憶體涵蓋各種不同的技術和方法。,3,虛擬範例:位元組定址,還記得:在字組定址的實體記憶體上,把字組定址轉譯成位元組定址,正是虛擬位址的映射觀念。 智慧型控制器會負責把字組定址轉譯成位元組定址。,4,虛擬術語,MMU(記憶體管理單元) 記憶體的智慧型控制器 MMU接受處理器所送出的虛擬位址,再轉換成實體位址(轉換細節通常隱藏在MMU背後)。,5,虛擬術語(Cont.),虛擬位址 虛擬位址非實體(或稱真實)位址 目前大部分的處理器使
2、用的位址是虛擬位址,而非實體位址。 虛擬空間 虛擬空間意指所有虛擬位址的集合 可以大於或小於實體空間,6,多重實體記憶介面,許多電腦可以把多個實體記憶體整合到單一虛擬空間。 MMU可以延伸出更複雜的記憶體組織 比如:整合SRAM和DRAM兩種不同的實體記憶體: (SRAM一個字組四個位元組) (DRAM一個字組八個位元組) 可以使用相同的指令,來存取位元組。,7,涵蓋雙實體記憶介面的虛擬系統,8,虛擬定址,如何提供虛擬空間? 比如: 記憶體1的位址 0到 999 記憶體2的位址1000到1999 只要根據位址編號,MMU就可以知道目標是哪一個實體記憶體,和所使用的存取策略。,9,雙實體記憶介面
3、的虛擬位址,10,位址映射,位址映射由MMU負責,又稱為位址轉譯。 如同之前範例: 記憶體1的虛擬位址與實體位址相同,因此直接轉送這些虛擬位址給記憶體1; 記憶體2的虛擬位址從1000開始,因此MMU必須在轉送給記憶體2之前,就先把虛擬位址轉譯到真實位址。,11,執行位址轉譯的執行步驟,12,避開計算,數學計算成本昂貴 盡量避開數學計算 解決的方法應該是:謹慎地使用2的冪次位元,以最簡單的虛擬位址分割方式,完成必要的位址轉譯。,13,2的冪次範例,1000個位元組不是2的冪次方 實體記憶體應該改成210=1024位元組 最好改成 位址 0到1023給記憶體1 位址1024到2047給記憶體2,
4、14,二進位位址範例,以十進位的眼光來看,這些數值似乎不怎麼相似!改以二進位元排列,發現低階位元排列幾乎相同,唯一不同的只有最高階位元。,15,重點,選擇2的冪次虛擬位址可以避開麻煩的算術計算,只要使用最簡單的位元分割,就可以讓MMU選擇到正確的實體記憶體,並執行必要的位址轉譯。,16,非連續位址,連續位址 虛擬位址從零開始到最大位址,連續不斷。 每一個虛擬位址總是對應一個等效的實體位置。 非連續位址 實體記憶體都會有其映射的虛擬空間 使用者有權選擇記憶體的數量,或省略某些實體記憶體,這表示部分的虛擬位址將無法使用。 組合實體位址可能會出現非連續位址 造成虛擬空間出現漏洞,17,非連續位址圖,
5、一旦處理器存取到漏洞,將出現錯誤,18,程式設計師受到的影響,虛擬空間可能是連續位址,每個位址會映射到一個實體記憶體的位置;另外,虛擬空間也可能非連續,造成虛擬空間出現一個或多個空洞,一旦處理器嘗試讀寫這些空洞,將因為找不到等效的實體記憶體,而出現錯誤。,19,虛擬記憶體的動機,硬體整合同質性 程式規劃便利性 支援多重程式 程式和資料保護,20,多重虛擬空間和多重程式執行,目標:多重程式執行 早期因為記憶體資源的衝突問題,多重程式執行是不可行的。 因此,必須有能力防止程式之間彼此的衝突與干擾。 技巧:提供各個程式擁有自己的虛擬位址空間,各自獨力互不干擾。,21,一個實體四個虛擬空間範例,22,
6、多階層虛擬化,MMU可以把多重虛擬位址轉譯到單一實體記憶體。 MMU硬體還可以執行其它不同的虛擬化映射,比如: 映射到多個實體記憶體 把位元組位址轉譯到字組位址。,23,動態虛擬空間的建立技術,基底-界線暫存器 區段 分頁請求,24,基底-界限暫存器,使用兩個暫存器:基底暫存器和界限暫存器,來界定出虛擬空間的位置。 在致能MMU之前,必須先載入數值到這兩個暫存器: 基底暫存器儲存實體記憶體的位址,剛好指向虛擬空間的開頭。 界限暫存器則儲存整個虛擬空間的大小。,25,使用基底-界限暫存器的虛擬機制,26,界限的保護,為什麼要多一個界限暫存器呢? 答案就是:保護! 界限暫存器用來保證:程式不會超過
7、其管轄範圍。 為了實現這種保護功能,MMU必須檢查每一個記憶體參考,一旦存取的記憶體位址跳出M,就會發生錯誤。,27,保護觀念,支援多重程式執行的虛擬記憶體必須能夠提供保護,防止程式讀取或改變其它程式所座落的記憶體內容。,28,區段,基底-界限的虛擬技術稱為粗粒映射。 另一種稱為細粒映射。 典型來看,電腦結構師發現: 應用程式內部包含某些程序和呼叫流程,如果整個載入到記憶體時,會佔據許多空間。 大部分的應用程式在某個時間點,可能只有一個程序正在執行,顯然載入整個程式,有些浪費!,29,區段問題,細粒映射只有需要這些區塊時,才載入記憶體,不必載入全部程式到記憶體。 程式片段可以先放在外部儲存裝置
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