《程序存储器的扩展》课件

程序存储器的扩展程序存储器是计算机系统中存放程序和数据的核心部件为了满足不断增长的存储需求，程序存储器需要不断扩展课程导入程序存储器存储器容量访问速度存储程序和数据，CPU访问的直接对象存储器的大小，单位通常为字节或字CPU访问存储器数据的快慢，单位通常为纳秒存储器层次结构回顾存储器层次结构是一种将不同速度、容量和成本的存储器组合在一起的系统，以提高系统性能缓存（Cache）、主存（Main Memory）和辅助存储器（Secondary Storage）共同构成计算机系统中的存储器层次结构•缓存是最快、最昂贵的存储器，用于存储经常访问的数据和指令•主存是速度较快、成本较低的存储器，用于存储正在执行的程序和数据•辅助存储器是最慢、成本最低的存储器，用于存储不常使用的程序和数据程序存储器概述存储程序执行指令12程序存储器主要存储计算机程CPU从程序存储器中读取指令序的指令和数据它是计算机，并根据指令执行相应的操作的核心组件之一，例如数据运算、逻辑判断等高速存储容量要求34程序存储器需要提供高速的读程序存储器的容量需要足够大写速度，以确保计算机程序能，以满足现代计算机运行大型够快速运行程序和大量数据的需求程序存储器的扩展需求随着程序规模的不断增大，以及多任务操作系统和虚拟内存技术的应用，程序存储器容量的需求不断增加为了满足这些需求，需要对程序存储器进行扩展，以提供更大的存储空间扩展方式一分段:逻辑地址空间1将程序分成多个段段表2存储每个段的起始地址和长度物理地址空间3将每个段分配到物理内存分段是一种将程序逻辑地分成多个段的地址转换方法，每个段可以有不同的长度通过段表来管理这些段的起始地址和长度，在运行时，将逻辑地址转换为物理地址分段机制的实现逻辑地址的转换逻辑地址被转换为物理地址,并通过分段表找到对应的物理地址,确保内存管理的安全性分段表的建立操作系统需要维护一个分段表,用于记录每个段的基地址和长度,实现内存空间的管理段表管理操作系统需要管理分段表的建立、修改和删除等操作,确保分段机制正常运行段页式内存管理将分段机制与分页机制相结合,可以更好地管理内存空间分段机制的优缺点分析优点缺点分段机制能够实现逻辑地址空间分段机制需要额外的硬件支持，的独立性，不同程序之间可以共如段表和段寄存器，增加了系统享数据，提高内存利用率开销应用场景分段机制适合于需要逻辑地址空间独立性的应用场景，如多用户操作系统和数据库系统扩展方式二分页:分页是另一种常见的程序存储器扩展方式它将程序逻辑地址空间划分为固定大小的页面，并将物理内存也划分为相同大小的页框逻辑地址1被分成固定大小的页面物理地址2被分成固定大小的页框页表3存储页面的物理地址地址转换4通过页表将逻辑地址转换为物理地址分页机制允许非连续的物理内存来存放程序，提高内存利用率，并简化内存管理分页机制的实现123逻辑地址到物理地址的转换页表页面替换逻辑地址由页号和页内偏移量组成，物页表是操作系统管理的一种数据结构，当要访问的页面不在内存中时，需要进理地址由帧号和帧内偏移量组成分页它包含每个页面的物理地址信息，以及行页面替换操作系统会选择一个页面机制通过页表将逻辑地址转换为物理地其他控制信息，例如访问权限、状态等从内存中移出，并将要访问的页面加载址到内存中分页机制的优缺点分析优点缺点提高内存利用率，减少内存碎片，方便内存管理，易于实现程序共需要额外的内存空间存放页表，增加了地址转换时间，可能会出现享页表缺失问题页表的组织形式单级页表多级页表反向页表每个进程只有一张页表页表将页表分成多个层次，每个层以物理页号为索引，每个条目的大小与虚拟地址空间的大小次对应一个页表适用于虚拟对应一个虚拟页号适用于多成正比适合于虚拟地址空间地址空间较大的系统可以有个进程共享物理内存的系统，较小的系统效地减少页表占用的内存空间可以提高内存利用率页表项的内容页框号状态位

1.

2.12指示该页所对应的物理内存页框的编号，用于定位页面的物记录页面的状态信息，例如是否在内存中、是否被修改过等理地址保护位其他信息

3.

4.34用于控制对页面的访问权限，例如读、写、执行等可能包含其他信息，例如时间戳、修改次数等，用于页面管理和调度换出页面的替换算法最佳页面置换算法1最优算法，但无法实现最近最少使用LRU2基于最近访问时间先进先出FIFO3最简单的算法时钟算法4LRU的近似算法选择合适的替换算法对系统性能至关重要，需考虑算法复杂度和性能表现快表的作用TLB加速地址转换提高系统性能TLB存储最近使用的页面映射，通过减少内存访问次数，TLB有减少了访问主存页表的次数，加效地提升了CPU的执行效率，从快了地址转换速度而提高了整个系统的性能降低内存访问时间由于TLB存储在高速缓存中，访问速度远快于主存，有效地降低了内存访问时间快表的工作原理虚拟地址查找

1.CPU访问内存时，首先访问虚拟地址快表查找

2.CPU检查快表，查看该虚拟地址是否已映射到物理地址命中快表

3.若命中，直接获取物理地址，并访问内存未命中快表

4.若未命中，访问页表，获取物理地址，并将该条目添加到快表访问内存

5.CPU使用获取的物理地址访问内存快表的组织形式关联存储器内容可寻址存储器多级结构快表通常使用关联存储器实现，可以快速查快表也被称为内容可寻址存储器，通过页面某些系统中，快表可能采用多级结构，提高找页面号号直接访问对应条目效率快表的替换算法随机替换算法LRU1最近最少使用页面优先被替换先进先出算法FIFO2最早进入快表的页面优先被替换最不常用算法LFU3访问次数最少的页面优先被替换快表中页面的替换算法决定了哪一个页面会被移出快表根据页面访问频率、访问时间等因素选择合适的替换算法可以提高快表的命中率分段和分页的对比分段分页分段是一种基于逻辑地址空间的管理方式，它将程序和数据分成分页是一种基于物理地址空间的管理方式，它将程序和数据分成若干个逻辑段，每个段有独立的地址空间，方便程序模块的独立若干个固定大小的页，每个页对应物理内存的一个或多个页框，编译、链接和装入方便内存分配和管理••逻辑地址空间物理地址空间••按程序逻辑划分按物理内存划分••段表管理页表管理虚拟地址空间的划分用户空间系统空间保护机制用户程序运行的地址空间，由操作系统分配操作系统内核运行的地址空间，用于管理系操作系统通过地址空间的划分，防止用户程，独立于其他用户进程统资源，提供系统服务序访问系统空间，保护系统安全地址转换机制逻辑地址1逻辑地址是程序员使用的地址，它表示程序在虚拟内存中的地址空间物理地址2物理地址是内存控制器访问内存的地址，它表示内存的实际物理位置地址转换过程3地址转换过程将逻辑地址转换为物理地址，涉及页表查找、页面替换、快表匹配等操作页面置换算法1234最佳置换算法先进先出最久未使用时钟算法FIFO LRU理想情况，将最长时间不会根据页面进入内存的顺序，将最近最少被使用的页面换将所有页面组织成一个循环被访问的页面换出，但无法将最先进入的页面换出，简出，性能较好，但实现复杂队列，根据访问时间，将较实现单易实现，但可能将频繁使度较高早访问的页面换出，实现简用的页面换出单，性能较好工作集理论工作集定义工作集大小

1.

2.12程序在一段时间内所访问的页工作集的大小取决于程序的运面集合行特征和时间窗口工作集管理工作集理论应用

3.

4.34操作系统应该将工作集驻留在工作集理论可以用于优化页面内存中，以减少页面置换的次置换算法，提高内存利用率数的优化策略TLB缓存优化算法改进并行处理硬件加速TLB的缓存命中率会影响系统性选择合适的替换算法，例如LRU使用多级TLB或并行TLB，可以利用硬件加速技术，例如硬件能，优化缓存策略可以提高命或FIFO，可以提高TLB的效率提高TLB的容量和性能，减少冲TLB，可以提高TLB的访问速度中率，减少页面访问时间和命中率突和等待时间和处理能力程序存储器扩展的未来趋势非易失性内存基于云的存储NVMNVM技术将改变程序存储器，它提供比传统DRAM更快的速度和云存储技术将为程序存储器扩展提供新的思路，允许用户通过网更低的功耗，从而显著提升系统性能和能效络访问庞大的存储空间，从而满足日益增长的数据存储需求课程小结程序存储器扩展地址转换分段和分页机制扩展程序存储器,虚拟地址到物理地址的转换,涉及提高了内存利用率和系统效率到页表、快表和页面置换算法页面置换算法未来趋势选择最优页面置换算法，降低页程序存储器扩展将朝着更高效率面失效率，提高系统性能、更安全和更智能的方向发展思考与探讨程序存储器扩展是一个重要的课题，它直接影响着计算机系统的性能和效率通过本节的学习，我们对程序存储器扩展机制有了更深入的了解，并对分段、分页等技术有了更清晰的认识在实际应用中，我们可以根据不同的需求选择合适的扩展方式，并结合工作集理论、TLB优化等策略，进一步提高系统性能此外，未来程序存储器扩展技术将会继续发展，例如，基于云计算的分布式存储技术、新型存储介质等，将为我们带来更强大的计算能力和更广阔的应用空间。