計(jì)算機(jī)組成原理 第18講_虛擬存儲(chǔ)器

1、計(jì)算機(jī)組成原理Principles of Computer Organization廣義雙語(yǔ)教學(xué)課程09/skyclass25/青島理工大學(xué) 校級(jí)精品課程http:/ 控制器部件設(shè)計(jì)控制器部件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 按照題目要求設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制器各主要部件的邏輯，決定外部的端口（名稱、有效電平）和內(nèi)部各元件的連接，畫出系統(tǒng)框圖和邏輯圖，設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)，用VHDL編程和仿真。 一、主要元件設(shè)計(jì)一、主要元件設(shè)計(jì) 1程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 功能要求：8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，同步并行置數(shù)，同步復(fù)位（清零），三態(tài)輸出。 提示：注意程序計(jì)數(shù)器的“加一”功能。 2數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存

2、器 功能要求：8位，同步并行置數(shù)，雙向三態(tài)輸出。 3地址寄存器地址寄存器 功能要求：8位，同步并行置數(shù)，三態(tài)輸出。（2學(xué)時(shí)）盛建倫 實(shí)驗(yàn)課題實(shí)驗(yàn)課題3 控制器部件設(shè)計(jì)控制器部件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 一、主要元件設(shè)計(jì)一、主要元件設(shè)計(jì) 4指令寄存器指令寄存器 功能要求：8位，同步并行置數(shù)。 5指令譯碼器指令譯碼器 功能要求：3-8譯碼器。 二、仿真二、仿真 設(shè)計(jì)仿真波形數(shù)據(jù)，要考慮到所有可能的情況。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中必須清楚說(shuō)明仿真波形數(shù)據(jù)是怎樣設(shè)計(jì)的。盛建倫 第第 7 章章 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)(3)Chapter 7 Storage SystemVirtual memory is a compute

3、r system technique which gives an application program the impression that it has contiguous working memory, while in fact it may be physically fragmented and may even overflow on to disk storage.Systems that use this technique make programming of large applications easier and use real physical memor

4、y (e.g. RAM) more efficiently than those without virtual memory.盛建倫 虛擬存儲(chǔ)器指的是虛擬存儲(chǔ)器指的是“主存主存-輔存輔存”層次。它能使該層次具有層次。它能使該層次具有輔存的容量，接近于主存的等效速度和輔存的每位成本。它使得輔存的容量，接近于主存的等效速度和輔存的每位成本。它使得程序員可以程序員可以按比主存大得多的按比主存大得多的虛虛存空間編制程序。存空間編制程序。 對(duì)于大的程序，可以先分配少數(shù)幾個(gè)頁(yè)面，將該程序的一部分裝入主存。在運(yùn)行中間，發(fā)生缺頁(yè)時(shí)再按需按需陸續(xù)調(diào)入調(diào)入。只要主存容量大于某個(gè)最小值，不論機(jī)器配備多大容量的主存

5、，程序可不必作任何修改照樣能運(yùn)行。主存實(shí)際容量的大小會(huì)影響系統(tǒng)工作的效率和解題速度。 虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：設(shè)法獲得主存儲(chǔ)器的最佳使虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：設(shè)法獲得主存儲(chǔ)器的最佳使用，形成一個(gè)高性能、低價(jià)格的大容量存儲(chǔ)器。用，形成一個(gè)高性能、低價(jià)格的大容量存儲(chǔ)器。虛擬存儲(chǔ)器的管理方法有：頁(yè)式、段式和段頁(yè)式。虛擬存儲(chǔ)器的管理方法有：頁(yè)式、段式和段頁(yè)式。73 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器 (Virtual Memory)盛建倫 虛擬存儲(chǔ)器的地址映象虛擬存儲(chǔ)器的地址映象（或稱定位算法或稱定位算法）是指每個(gè)虛頁(yè)按是指每個(gè)虛頁(yè)按什么規(guī)則什么規(guī)則（算法算法）裝入裝入（定位于定位于）實(shí)存，地址變換是指程序按實(shí)

6、存，地址變換是指程序按照映象關(guān)系裝入實(shí)存后，在程序運(yùn)行時(shí)虛地址如何變換成對(duì)應(yīng)照映象關(guān)系裝入實(shí)存后，在程序運(yùn)行時(shí)虛地址如何變換成對(duì)應(yīng)的實(shí)存地址。的實(shí)存地址。 當(dāng)處理機(jī)發(fā)出訪存地址時(shí)，首先進(jìn)行虛地址到主存實(shí)地址虛地址到主存實(shí)地址的映象變換，如果出現(xiàn)頁(yè)故障，再進(jìn)行虛地址到輔存實(shí)地址虛地址到輔存實(shí)地址的映象變換。 虛地址到主存實(shí)地址的地址映射變換有：直接映射，相聯(lián)虛地址到主存實(shí)地址的地址映射變換有：直接映射，相聯(lián)映射，組相聯(lián)映射，段相聯(lián)映射等。映射，組相聯(lián)映射，段相聯(lián)映射等。 虛擬存儲(chǔ)器和Cache-主存層次的管理原則基本相同。把程序中常用的頁(yè)（塊）駐留在較高速的存儲(chǔ)器中。一旦某頁(yè)變的不常用了，則把它

7、替換出去。盛建倫 當(dāng)CPU訪問主存不命中時(shí)，必須從輔存把包含這個(gè)字的1個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送到主存，然后，CPU才能在主存中訪問到這個(gè)字。若傳送該數(shù)據(jù)塊的時(shí)間為TB， TA2= TB + TM 則“主存-輔存”層次的平均訪問時(shí)間TA= HTA1 +（1H）TA2 = HTM +（1H）（TB + TM） = TM +（1H）TB Embedded systems and other special-purpose computer systems which require very fast, very consistent response time do not generally use vir

8、tual memory.盛建倫 Almost all implementations of virtual memory divide the virtual address space of an application program into pages; A page is a block of contiguous virtual memory addresses. 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 （ Paged virtual memory ） 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器把虛存空間分成頁(yè)頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器把虛存空間分成頁(yè)，實(shí)存空間也分成同樣大實(shí)存空間也分成同樣大小小的頁(yè)，稱為實(shí)頁(yè)頁(yè)，稱為實(shí)頁(yè)和物理頁(yè)

9、物理頁(yè)，虛存虛存的頁(yè)面稱為虛頁(yè)或邏輯頁(yè)頁(yè)面稱為虛頁(yè)或邏輯頁(yè)。 虛存空間劃分成虛存空間劃分成 個(gè)頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面容量為個(gè)頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面容量為 個(gè)存儲(chǔ)單元個(gè)存儲(chǔ)單元。實(shí)存只有實(shí)存只有 個(gè)頁(yè)面。個(gè)頁(yè)面。 幾百個(gè)字節(jié)CPU對(duì)Cache和主存都有直接訪問路徑輔存必須通過主存才能和CPU交換信息Cache未命中的開銷是命中的5100倍，處理機(jī)只能等待頁(yè)故障的開銷是頁(yè)命中的數(shù)萬(wàn)倍以上?？赏ㄟ^程序換道減少處理機(jī)等待對(duì)程序員透明對(duì)系統(tǒng)程序員不透明盛建倫 Page replacement algorithms were a hot topic of research and debate in the 1960s

10、and 1970s. That mostly ended with the development of sophisticated LRU approximations and working set algorithms. When a CPU fetches an instruction located at a particular virtual address or, while executing an instruction, fetches data from a particular virtual address or stores data to a particular virtual address, the virtual address must be translated to the corresponding physical addre