虚拟存储器原理
数字逻辑与计算机组成原理：第三章 存储器系统(1)
A3 0
字线
地0 A2 0 址
译
A1
0码 器
A0 0
15
读 / 写选通
… …
…
0,0 … 0,7
16×8矩阵
15,0 … 15,7
0
…
7 位线
读/写控制电路
D0
… D7
(2) 重合法（双译码方式）
0 A4
0,00
…
0 A3
阵
A2
译
0码
31,0
…
A1
器 X 31
0 A0
… …
或低表示存储的是1或0。 T5和T6是两个门控管，读写操作时，两管需导通。
六管存储单元
保持
字驱动线处于低电位时，T5、T6 截止， 切断了两根位线与触发器之间的 联系。
六管存储单元
单译码方式
读出时: 字线接通 1)位线1和位线2上加高电平; 2)若存储元原存0，A点为低电
平，B点为高电平，位线2无电 流，读出0。
3)若存储元原存1，A点为高电 平，B点为低电平，位线2有电
流，读出1。
静态 RAM 基本电路的 读 操作（双译码方式）
位线A1
A T1 ~ T4 B
位线2
T5
行地址选择
T6
行选
T5、T6 开
列选
T7、T8 开
T7
T8
读选择有效
列地址选择 写放大器
写放大器
VA
T6
读放
读放
DOUT
T8 DOUT
DIN
1．主存与CPU的连接
是由总线支持的; 总线包括数据总线、地址总线和控制总线; CPU通过使用MAR（存储器地址寄存器）和MDR（存储
计算机组成原理课件 虚拟存储器
4.2 虚拟存储器
例1：一个程序共有5个页面组成，分别为P1～P5。程序执行过程中的页地 址流（即程序执行中依次用到的页面）如下：P1，P2，P1，P5，P4，P1， P3，P4，P2，P4，假设分配给这个程序的主存储器共有3个页面。图中， 用"*"号标记下次将要被替换掉的页面。
4.2 虚拟存储器
内部地址变换：多用户虚拟地址Av变换成贮存实地址A 多用户虚拟地址中的页内偏移量D直接作为主存实地址中的页内偏移d 主存实页号p与它的页内偏移d直接拼接就得到主存是地址A
4.2 虚拟存储器
一个用户程序要访问虚拟存储器时，必须给出多用户虚拟地址Av。在操作系统和 有关硬件的共同管理下，首先进行内部地址变换。 如果变换成功（命中），得到主存实页号p。把主存实页号p与它的页内偏移d直 接拼接起来就得到主存实地址A，访问主存储器。 如果内部地址变换失败（未命中），表示要访问数据不在主存储器中，必须访问 磁盘存储器。这时，进行外部地址变换。 外部地址变换主要用软件实现，首先查外页表得到与虚页号P相对应的磁盘存储 器的实地址，然后再查内页表（主存实页表），看主存储器中是否有空页。如果主 存储器中还有空页，只要找到空页号。把磁盘存储器的实地址和主存储器的实页号 送入输入输出处理机（输入输出通道）等，在输入输出处理机的控制下，把要访问 数据所在的一整页都从磁盘存储器调入到主存储器。 如果主存储器中已经没有空页，则要采用某种页面替换算法，先把主存中暂时不 用的一页写回到磁盘存储器中原来的位置上，以便腾出空位置来存放新的页。 在进行外部地址变换时，如果没有命中，则表示所需要的页还不在磁盘存储器中。 这时，要在操作系统控制下，启动磁带机、光盘存储器等海量存储器，先把与所需 要数据相关的文件从海量存储器中调入磁盘存储器。
页式虚拟存储器的工作原理
页式虚拟存储器的工作原理页式虚拟存储器是一种通过将磁盘空间作为内存的扩展来增加计算机可用内存的技术。
它允许计算机运行比物理内存更大的程序，并且可以在需要时将数据从磁盘移动到内存中。
在本文中，我们将探讨页式虚拟存储器的工作原理和实现方式。
一、页式虚拟存储器的概念页式虚拟存储器是指一种采用分页技术管理内存和磁盘的技术。
它分为内存页和磁盘页两部分，内存页是为了进程运行而存在的，磁盘页是为了在内存不够的时候将其置换到磁盘上而存在的。
当程序需要访问某一部分数据的时候，CPU会根据页表将数据从磁盘移动到内存中，然后再访问内存中的数据。
这种技术可以有效地增加计算机的可用内存，并且可以提高程序的运行效率。
二、页式虚拟存储器的工作原理1.内存页和磁盘页内存页是虚拟存储器中的一个概念，它用来表示物理内存中的一个固定大小的数据块。
通常情况下，内存页的大小是2的幂次方，比如4KB或者8KB。
磁盘页是虚拟存储器中的另一个概念，它用来表示在磁盘上的一个固定大小的数据块，通常情况下，磁盘页的大小和内存页的大小相同。
2.页表页表是虚拟存储器的核心数据结构，它用来将虚拟地址映射到物理地址。
当程序运行时，CPU会根据虚拟地址访问内存中的数据，而页表会将虚拟地址转换成物理地址。
如果所需的数据不在内存中，CPU会引发一个缺页中断，操作系统会根据页表将数据从磁盘移动到内存中，然后再由CPU访问内存中的数据。
3.页式置换算法页式虚拟存储器采用了页式置换算法来管理内存和磁盘之间的数据移动。
当内存不够时，操作系统会根据一定的置换算法将内存中的某些数据移到磁盘上，从而给新的数据腾出空间。
常用的页式置换算法包括最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）、时钟置换算法等。
4.缺页中断处理当程序需要访问内存中的数据但是数据不在内存中时，CPU会引发一个缺页中断，操作系统会根据页表将数据从磁盘移动到内存中。
这是页式虚拟存储器的核心操作之一，它保证了程序在内存不够的情况下也能正常运行。
第3章 计算机硬件系统 习题与答案
第三章习题（1）复习题1．计算机由哪几部分组成，其中哪些部分组成了中央处理器？答：计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成其中，运算器和控制器组成中央处理器（CPU）。
（P69）2．试简述计算机多级存储系统的组成及其优点？答：多级存储系统主要包括：高速缓存、主存储器和辅助存储器。
把存储器分为几个层次主要基于下述原因：（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。
（2）使用磁盘、磁带等作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。
(P74-P75)3．简述Cache的工作原理，说明其作用。
答：Cache的工作原理是基于程序访问的局部性的。
即主存中存储的程序和数据并不是CPU 每时每刻都在访问的，在一段时间内，CPU只访问其一个局部。
这样只要CPU当前访问部分的速度能够与CPU匹配即可，并不需要整个主存的速度都很高。
Cache与虚拟存储器的基本原理相同，都是把信息分成基本的块并通过一定的替换策略，以块为单位，由低一级存储器调入高一级存储器，供CPU使用。
但是，虚拟存储器的替换策略主要由软件实现，而Cache的控制与管理全部由硬件实现。
因此Cache效率高并且其存在和操作对程序员和系统程序员透明，而虚拟存储器中，页面管理虽然对用户透明，但对程序员不透明；段管理对用户可透明也可不透明。
Cache的主要作用是解决了存储器速度与CPU速度不匹配的问题，提高了整个计算机系统的性能。
(P77) 4．描述摩尔定律的内容，并说明其对于计算机的发展具有怎样的指导意义？答：摩尔定律（Moore law）源于1965年戈登·摩尔（GordonMoore，时任英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。
根据他对当时掌握的数据资料的整理和分析研究，发现了一个重要的趋势：每一代新芯片大体上包含其前一代产品两倍的容量，新一代芯片的产生是在前一代产生后的18-24个月内。
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存储器层次结构的组成
通常由高速缓冲存储器（Cache）、主存储器（Main Memory）和辅助存储器 （Auxiliary Memory）三级组成。
存储系统性能指标
存储容量
存取时间
存储器的存储容量是指它所能存储的二进制 信息的总量，通常以位（bit）或字节（Byte） 为单位表示。
存取时间是指从启动一次存储器操作到完成 该操作所经历的时间，分为读时间和写时间。
将一段时间内被访问次数最少 的数据块替换出去。考虑了数 据块的使用频率，但需要记录 每个数据块的访问次数，实现 相对复杂。
将未来最长时间内不会被访问 的数据块替换出去。理论上的 最优算法，但无法实现预测未 来的访问情况，仅作为评价其 他算法的标准。
06
虚拟存储器
虚拟存储器概述
定义
虚拟存储器是一种计算机存储管理技术，它允许程序使用比实际物 理内存更大的内存空间。
存储器接口
主存储器与CPU之间需要相应的接口电路来实现信号的转换和传输。接口电路通常包括地址 译码器、数据缓冲器、读写控制逻辑等部分。
访问时序
CPU访问主存储器的时序包括读操作和写操作。读操作时，CPU向主存发送读命令和地址， 主存将相应地址的数据发送给CPU；写操作时，CPU向主存发送写命令、地址和数据，主存 将数据写入相应地址。
按存储介质分类
半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器等。
03
按存取方式分类
随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器
（SAM）、直接存取存储器（DAM）。
我的操作系统原理笔记和总结
1、操作系统的分类依照操作系统提供的效劳，大致能够把操作系统分为有单道和多道之分的批处置系统，有同时性和独立性的分时系统，有严格时刻规定的实时系统，可实现资源共享的网络系统，可和谐多个运算机以完成一个一起任务的散布式系统。
咱们使有的windows是网络式系统。
2、操作系统的结构操作系统具有层次结构……层次结构最大特点是整体问题局部化来优化系统，提高系统的正确性、高效性使系统可保护、可移植。
要紧优势是有利于系统设计和调试；要紧困难在于层次的划分和安排。
3、操作系统与用户（1）作业执行步骤操作系统提供给用户表示作业执行步骤的手腕有两种：作业操纵语言和操作操纵命令。
作业操纵语言形成批处置作业。
操作操纵命令进行交互处置。
（2）系统挪用操作系统提供的系统挪用要紧有：文件操作类，资源申请类，操纵类，信息保护类系统挪用往往在管态下执行。
当操作系统完成了用户请求的“系统挪用”功能后，应使中央处置器从管态转换到目态工作。
4、移动技术移动技术是把某个作业移到另一处主存空间去（在磁盘整理中咱们应用的也是类似的移动技术）。
最大益处是能够归并一些空闲区。
处置器治理一、多道程序设计系统“多道程序设计系统” 简称“多道系统”，即多个作业可同时装入主存储器进行运行的系统。
在多道系统中一点必需的是系统须能进行程序浮动。
所谓程序浮动是指程序能够随机地从主存的一个区域移动到另一个区域，程序被移动后仍不阻碍它的执行。
多道系统的益处在于提高了处置器的利用率；充分利用外围设备资源；发挥了处置器与外围设备和外围设备之间的并行工作能力。
能够有效地提高系统中资源的利用率，增加单位时刻内的算题量，从而提高了吞吐率。
（关键词：处置器，外围设备，资源利用率，单位算题量，吞吐率），但要注意对每一个计算问题来讲所需要的时刻可能延长，另外由于系统的资源有限，会产生饱和，因此并行工作道数与系统效率不成正比。
二、进程1、概念进程是一个程序在一个数据集上的一次执行。
计算机组成与操作系统第14章
计算机组成原理与操作系统
2022/9/16
14.25
14. 3 非连续分配的内存管理
14. 3. 1 段式存储管理
例14-4（2009年硕士研究生入学考试试题）
一个分段存储管理系统中，地址长度32位，其中段
号占8位。则最大段长是 C 。
A．28B
B．216B
C．224B
14. 1 内存管理基础 1. 逻辑地址与物理地址
逻辑地址是程序员在程序中使用的地址，即程序 目标代码中的地址。程序目标代码的编址总是从首地 址“0（零）”开始的，因此逻辑地址都是相对于这 个首地址计算的，所以也叫相对地址。
物理地址是程序目标代码在运行过程中发出的 访问内存的真实地址，也叫绝对地址。
计算机组成原理与操作系统
2022/9/16
14.20
14. 3 非连续分配的内存管理
14. 3. 1 段式存储管理
程序由“模块”组成。一个模块经过编译后就成为具 有独立逻辑地址空间的一个“段”，不同的模块就变 成了不同的段。
一个程序就由若干个段组成。例如代码段、数据段和 堆栈段。
程序员通过“段名”来区分不同的段，在机器内部， 段名被转换为二进制的“段号”。这样，程序的逻辑 地址也相应地改为由“段号”和“段内偏移量”两个 域组成。
计算机组成原理与操作系统
2022/9/16
14.27
14. 3 非连续分配的内存管理
14. 3. 2 页式存储管理
程序和主存都按照相同的大小（称为页面尺寸）划分 为一系列的页面。程序中的页面称为实页（Page）， 主存中的页面称为页框（Page frame）。
一个实页可以存储于任意页框中，任何空闲的页框都 可以存储实页。所以页式存储管理没有外零头。
计算机组成原理复习题答案
中国石油大学(北京)学生期末考试复习题答案一、概念或解释题1、计算机系统的层次结构包含哪几部分微程序级，一般机器级，操作系统级，汇编语言级，高级语言级，共分为5级。
2、指令周期CPU从内存取出一条指令并执行完这条指令所需的时间总和，它包括若干各机器周期（CPU周期）不等。
3、存储器的刷新有几种方式集中式，分散式，异步式。
4、cache高速缓冲存储器。
5、计算机的硬件有哪些部件组成计算机的硬件主要由运算器、控制器、主存储器、输入设备、输出设备等五大部分以及总线和输入输出接口组成。
6、指令格式包含哪两部分包含操作码和地址码两部分，操作码表示操作的性质，地址码表示操作数的地址。
7、堆栈堆栈是一种数据结构，用来暂存各种信息，堆栈中的信息具有“后进先出”的特点。
8、DMA有哪三种工作方式CPU暂停访问内存，周期挪用，CPU与DMA 控制器交替访问内存。
9、冯·诺依曼计算机的主要思想是什么冯·诺依曼结构是将计算机硬件分为运算器、控制器、主存储器、输入设备和输出设备五大部分。
具有的以下的主要特点：（1）“存储程序控制”是其主要特点；（2）程序和数据都是用二进制来表示，机内进行的是二进制数的运算和存储；（3）程序由指令序列构成；（4）机器以运算器为中心，输入的信息在控制器控制下才能写入主存储器，输出的信息也只有在控制器控制下才能从主存储器中取出送至相应的输出设备。
10、主存储器性能的主要参数有哪些主存储器性能的主要参数包括存储容量、存储速度（包括带宽、存取时间、存储周期等）。
11、指令寄存器IR功能指令寄存器用来存放从存储器中取出的正要执行的指令。
12、指令译码器的功能将指令寄存器中的操作码部分进行译码，从而识别该指令。
13、微程序微程序对应一条机器指令，是由一系列微指令构成的，它是制造机器时事先由程序员根据需要编制的。
14、DMA直接存储器访问，在外设和存储器间直接进行数据传送。
15、计算机系统的主要技术指标有哪些计算机系统的主要技术指标包含机器字长、运算速度（主频、总线宽度、吞吐量等）、存储器容量。
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虚拟存储器原理
虚拟存储器原理
虚拟存储器是一种计算机内存管理技术，它允许操作系统将物理内存和磁盘空间组合使用，从而扩展可用内存空间。
虚拟存储器的原理是将进程所需的部分数据存储在物理内存中，而将未使用的部分存储在磁盘上，当进程需要访问未存储在物理内存中的数据时，操作系统会将其从磁盘中读取到物理内存中。
虚拟存储器的实现需要硬件和操作系统的支持。
硬件需要提供地址转换机制，将虚拟地址转换为物理地址。
操作系统需要提供虚拟内存管理机制，包括页面置换算法、页面调度算法等。
虚拟存储器的优点是可以提高系统的可用内存空间，从而提高系统的性能。
同时，虚拟存储器还可以提高系统的安全性，因为它可以将进程之间的内存空间隔离开来，避免进程之间的干扰。
虚拟存储器的缺点是会增加系统的复杂性，因为它需要硬件和操作系统的支持。
同时，虚拟存储器还会增加系统的开销，因为它需要将数据从磁盘中读取到物理内存中，这会增加系统的访问时间。
总之，虚拟存储器是一种重要的计算机内存管理技术，它可以提高系统的可用内存空间和安全性，但也会增加系统的复杂性和开销。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的虚拟存储器方案，以达到最优的性能和安全性。