計算機(jī)組成原理 第18講_虛擬存儲器

1、計算機(jī)組成原理Principles of Computer Organization廣義雙語教學(xué)課程09/skyclass25/青島理工大學(xué) 校級精品課程http:/ 控制器部件設(shè)計控制器部件設(shè)計實驗內(nèi)容：實驗內(nèi)容： 按照題目要求設(shè)計計算機(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)計仿真數(shù)據(jù)，用VHDL編程和仿真。 一、主要元件設(shè)計一、主要元件設(shè)計 1程序計數(shù)器程序計數(shù)器 功能要求：8位二進(jìn)制計數(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）盛建倫 實驗課題實驗課題3 控制器部件設(shè)計控制器部件設(shè)計實驗內(nèi)容：實驗內(nèi)容： 一、主要元件設(shè)計一、主要元件設(shè)計 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)計仿真波形數(shù)據(jù)，要考慮到所有可能的情況。在實驗報告中必須清楚說明仿真波形數(shù)據(jù)是怎樣設(shè)計的。盛建倫 第第 7 章章 存儲系統(tǒng)存儲系統(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 虛擬存儲器指的是虛擬存儲器指的是“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。 對于大的程序，可以先分配少數(shù)幾個頁面，將該程序的一部分裝入主存。在運(yùn)行中間，發(fā)生缺頁時再按需按需陸續(xù)調(diào)入調(diào)入。只要主存容量大于某個最小值，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。主存實際容量的大小會影響系統(tǒng)工作的效率和解題速度。 虛擬存儲系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是：設(shè)法獲得主存儲器的最佳使虛擬存儲系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是：設(shè)法獲得主存儲器的最佳使用，形成一個高性能、低價格的大容量存儲器。用，形成一個高性能、低價格的大容量存儲器。虛擬存儲器的管理方法有：頁式、段式和段頁式。虛擬存儲器的管理方法有：頁式、段式和段頁式。73 虛擬存儲器虛擬存儲器 (Virtual Memory)盛建倫 虛擬存儲器的地址映象虛擬存儲器的地址映象（或稱定位算法或稱定位算法）是指每個虛頁按是指每個虛頁按什么規(guī)則什么規(guī)則（算法算法）裝入裝入（定位于定位于）實存，地址變換是指程序按實

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

7、替換出去。盛建倫 當(dāng)CPU訪問主存不命中時，必須從輔存把包含這個字的1個數(shù)據(jù)塊傳送到主存，然后，CPU才能在主存中訪問到這個字。若傳送該數(shù)據(jù)塊的時間為TB， TA2= TB + TM 則“主存-輔存”層次的平均訪問時間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. 頁式虛擬存儲器頁式虛擬存儲器 （ Paged virtual memory ） 頁式虛擬存儲器把虛存空間分成頁頁式虛擬存儲器把虛存空間分成頁，實存空間也分成同樣大實存空間也分成同樣大小小的頁，稱為實頁頁，稱為實頁和物理頁

9、物理頁，虛存虛存的頁面稱為虛頁或邏輯頁頁面稱為虛頁或邏輯頁。 虛存空間劃分成虛存空間劃分成 個頁面，每個頁面容量為個頁面，每個頁面容量為 個存儲單元個存儲單元。實存只有實存只有 個頁面。個頁面。 幾百個字節(jié)CPU對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)只能等待頁故障的開銷是頁命中的數(shù)萬倍以上。可通過程序換道減少處理機(jī)等待對程序員透明對系統(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