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第 11 章 虛擬記憶體技術和虛擬定址 PowerPoint PPT Presentation


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第 11 章 虛擬記憶體技術和虛擬定址. 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。. 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。. 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)。. 虛擬術語( Cont. ). 虛擬位址

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第 11 章 虛擬記憶體技術和虛擬定址

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Presentation Transcript


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第 11 章虛擬記憶體技術和虛擬定址


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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。


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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。


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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)。


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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


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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。


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涵蓋雙實體記憶介面的虛擬系統


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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。


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雙實體記憶介面的虛擬位址


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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。


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執行位址轉譯的執行步驟


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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。


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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


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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。


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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。


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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


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非連續位址圖

  • 一旦處理器存取到漏洞,將出現錯誤


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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。


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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


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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。


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一個實體四個虛擬空間範例


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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。


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動態虛擬空間的建立技術

  • 基底-界線暫存器

  • 區段

  • 分頁請求


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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。


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使用基底-界限暫存器的虛擬機制


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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。


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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。


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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!


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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

    • 有需求時再載入到記憶體

  • 這種策略就是所謂的區段化,而這些程式片段就是區段。

  • 區段問題:作業系統移動資料進出時,會受到不同區段大小的影響,容易造成記憶體的碎裂化。


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區段結論

區段是一種虛擬記憶體策略,通常意指:程式被分割成不同大小的區塊,只有需要這些區塊時,才會將區塊放到記憶體內,然而目前比較少用區段觀念,因為區段容易導致記憶體的碎裂。


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分頁請求

  • 相對區段而言,另一種比較成功的分頁請求技術。

  • 分頁請求把所有的程式分割成固定大小的區塊,稱為分頁。

  • 分頁大小

    • 早期,選擇512 B或1 KB分頁大小。

    • 近年,Pentium使用4KB分頁。


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分頁請求具備的兩個技術

  • 分頁硬體,用來映射位址和偵測分頁錯誤。

  • 分頁軟體,用來交換外部儲存裝置和實體記憶體之間的分頁。


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分頁硬體

  • 分頁硬體讓軟體(通常是作業系統)可以請求相關的分頁事宜,包含:指定分頁位址、使用虛擬位址執行應用程式、…等。

  • 硬體會轉譯記憶體位址,但是

    • 如果硬體存取不到分頁所指定的位址,就會發生分頁錯誤。

    • 分頁錯誤可能遺失分頁

    • 硬體的責任會通知作業系統有個錯誤發生了,讓軟體決定並解決問題。


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分頁軟體

  • 分頁軟體必須決定

    • 那些分頁放在記憶體,哪些放在外部儲存裝置。

    • 一旦需要分頁時,軟體會負責請求動作。

    • 硬體報告分頁錯誤後,分頁軟體必須接手。

    • 分頁軟體必須讀取必要的分頁到記憶體。

  • 分頁硬體和分頁軟體必須一起工作

    • 分頁錯誤發生後,硬體必須儲存當時的狀態。

    • 軟體必須瞭解如何規劃MMU的細節動作。


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分頁置換

  • 一開始

    • 虛擬記憶體會把分頁搬到記憶體內部

    • 如果記憶體滿載,應用程式繼續要求新的分頁,則系統必須回收現有的分頁,讓出空間給新的分頁,稱為分頁置換。

  • 分頁置換與效能有相當的關聯

    • 分頁在外部儲存裝置和記憶體之間的轉移動作,非常耗時。


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分頁術語

  • 分頁:一個固定大小的程式區塊

  • 框架:剛好容納分頁的實體記憶位置

  • 常駐狀態:分頁已經置放在記憶體框架內部,稱該分頁進入常駐狀態。

  • 常駐集合:所有常駐於記憶體的分頁


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分頁資料結構

  • 整個分頁請求的資料結構,就是所謂的分頁表。

    • 最簡單的分頁表就是:儲存分頁號碼的一維陣列索引。

    • 索引依序標示為0、1、…等。

    • 每個分頁表項目不是null指標,就是分頁的實體位址。


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分頁表


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分頁位址轉譯

  • 為了瞭解分頁硬體,可把整個位址空間分割成固定大小的分頁。


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分頁位址轉譯(Cont.)

  • 假設分頁大小為固定的K位元組

  • 把虛擬位址V轉譯到實體位址P,需要以下步驟:

    • 先決定虛擬位址V的分頁號碼

    • 把分頁號碼當作分頁表索引,找到該分頁的第一個位元組位址。

    • 決定V離第一個位元組位址的距離,然後移動到該記憶體框架同樣距離的位址。


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分頁位址轉譯的數學觀點

  • 假設分頁號碼為N,如下:

  • 偏移位址O,如下:

    O = V modulo K

  • 虛擬位址V可以使用分頁表N和偏移位址O,轉譯成對應的實體位址P,如下:

    P = 分頁表[N] + O


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使用2的冪次

  • 算術運算成本昂貴

  • 分頁系統使用2的冪次方

    • 即每一個分頁可以容納2q個位元組,

    • 分頁表改由位元萃取,取出記憶體位址

  • MMU執行運算,把虛擬位址V轉譯成實體位址P:

    P=分頁表[高階位元(V)] or 低階位元(V)


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MMU的硬體轉譯工作圖


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出現、使用、修改位元

  • 分頁表最常使用的控制位元,協調分頁軟硬體的相關運作。


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分頁表儲存

  • 哪麼分頁表要放在哪裡?

    • 某些系統會把分頁表儲存在MMU晶片。

    • 有些處理器把分頁表放在記憶體!


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儲存在實體記憶體的分頁表


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分頁效率

  • 記憶體是電腦系統中,重複使用最頻繁的資源。

  • 想把分頁表放在記憶體

    • 必須有足夠的效率

    • 避免成為瓶頸


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TLB

  • TLB(轉換後備緩衝器)是一種特殊高速硬體,可以用來進行分頁表的查閱動作,最佳化分頁請求的效能。

  • TLB是一種CAM(內容定址記憶體),每當MMU轉譯位址時,總會在TLB上置放一份拷貝,讓系統進行高速查閱。

  • 如果在TLB內找不到相關的資訊,則會繼續進行標一般準的位址轉譯動作。


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TLB的效能

  • 為什麼TLB可以改善效能呢?

  • 處理器傾向連續擷取記憶體指令

  • 這種連續擷取意味:

    • 直接運用下一個指令的機率很高

    • 不必再次索引分頁表,節省轉譯時間。

  • 運用TLB的效能改善相當明顯。


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TLB的重要性

TLB特殊高速硬體設備常用來最佳化分頁系統的效能表現,沒有 TLB的虛擬記憶體速度顯然太慢!


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對程式設計師的影響

  • 經驗顯示:分頁請求對大部分的電腦程式而言,運作良好!

  • 因此,程式設計師傾向

    • 把整個程序碼放到單一分頁

    • 資料物件盡量集中在連續的記憶體位置

    • 愈多次的存取動作愈能提昇執行的效能

    • 某些編譯器也將資料項目填入分頁,來最佳化效能。


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陣列存取

  • 陣列存取可能會影響虛擬記憶體的效能問題

  • 陣列在記憶體的排列方式通常有兩種:

    • 列排序

    • 行排序


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列排序

  • 二維的位元組陣列A[i,j]的位置如下:

    位置(A) + i×Q + j

  • 其中,Q是每一列的位元組數目。


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最佳化的列排序

  • 程式設計師可以控制程式的迴圈,重複地處理陣列,字元陣列A[N,M]以列排序地儲存在記憶體上,下列迴圈指令:

    for i = 1 to N {

    for j = 1 to M{

    A[i,j]=0;

    }

    }


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未最佳化的列排序

  • 如果改以行來儲存記憶體,則迴圈處理可能需要較少的執行時間:

    for j = 1 to M {

    for i = 1 to N{

    A[i,j]=0;

    }

    }


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結論

  • 虛擬記憶體系統提供

    • 非真實的位址空間給處理器

    • 隱藏底層實體記憶體的相關細節

    • 提供程式設計師方便的開發環境、支援多重程式、和保護。

    • 讓執行在處理器的應用程式位址總是由零開始。


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結論(Cont.)

  • 目前存在各種不同的虛擬記憶體結構

  • 虛擬技術包含

    • 基底−邊界

    • 區段

    • 和分頁請求

  • 分頁請求是目前最受到歡迎的虛擬技術

    • 分頁請求使用分頁表作映射動作

    • TLB高速搜尋機制讓分頁表查閱更有效率


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結論(Cont.)

  • 虛擬記憶體系統也使用2的冪次方,以避開繁雜的算術或邏輯運算,直接轉譯位址。


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