《计算机存储与外设》 1Cache存储器与虚拟存储器

初读这本书，是2020年3，4月吧，以前学的大多数处理器，balabala的，虽然也有介绍储存器的，但总是不是很详细，主要还是关注cpu等计算部件或者总线等事物，就如同这本书中所写，人们往往可以很清楚的描述Intel处理器与AMD处理器的区别，但是对各种存储器却总是不甚熟悉。

寄存器是以与CPU相同的方法制备的，与CPU的时钟频率相同，且与CPU其他部分之间的数据通路都较短，此外，片上寄存器可以直接被CPU访问，而访问其他外部存储器都需要通过一个过程，包括存储器管理，地址翻译以及复杂的数据缓冲和控制机制。

Cache相当于位于内存和寄存器之间的缓冲区，这是实际存在的，硬件，计算机管理；而虚拟存储相当于内存和硬件之间的缓存机制，这并不实际存在，由操作系统管理。

Cache大家都比较熟悉，主要利用了访问的局部性原理（时间局部性与空间局部性）。

几种降低Cache失效率的方法

1.代码层面，编写具有良好局部性的代码

2.取指策略：如按需获取，预取，选择性获取。

按需获取在失效后调入所需块，这是一种最简单的选择。

预取策略预测未来的Cache需求（例如，如果没有缓冲块i+1,但访问块i时也调入第i+1块）。实现预取算法有许多可能的方法，如选择性获取策略在主存储器的部分内容不能被缓存的情况下使用。例如，在多处理器系统之中，由多个处理器共享的部分不应该被缓存，如果这些数据被缓存而处理器修改了存储器中的拷贝，Cache和存储器中的数据将不再保持一致。

3.多级Cache

虚拟存储器和存储器管理

这些概念在《深入理解计算机系统》和《操作系统》之中已有较为完备的介绍，在此只列下大概。

存储器管理是操作系统和硬件的切合点，它关注的是管理主存储器和磁盘，可以认为它是一种拓展的Cache技术。

虚拟存储空间是逻辑地址空间的同义词，编写程序中，我们不用考虑实际的物理地址，而是认为地址都是从0开始的即可，且可以编写超过主存的软件，给用户一个无穷大空间的错觉，这些是由操作系统帮助完成的。

处理器逻辑地址空间的大小与指定操作数的寻址方式无关。他也与程序是使用高级语言，汇编语言还是机器代码无关。在32位系统中，处理器不能指定4GB以外的逻辑地址。操作系统32位主要是指其寄存器的位数。

物理地址空间由处理器使用存储器系统中所有的实际地址位置构成。该存储器不是抽象的，是真正实现的。换句话说，系统的主存储器构成的物理地址空间。计算机逻辑地址空间的大小由指定地址所需得到位数决定，而物理地址空间的大小通常只受其成本限制。

存储器管理系统的基本目的如下：

虚拟存储器主要满足(1)(2)需求

其主要有4个作用：支持比物理空间更大的逻辑存储空间，实现逻辑地址到物理地址的映射，为逻辑地址空间中运行的任务分配物理存储器，更加方便的建立多任务的系统。

1.存储器管理与多任务

存储器管理单元将程序员选择的逻辑地址映射到物理存储空间，而操作系统负责建立逻辑空间到物理地址的映射表。存储器映射的一个强大功能是，每个逻辑存储快可被赋予各种权限。例如，存储器可以是只读、只写、只能通过操作系统或给定的任务访问或在一组任务之间共享。通过确保物理存储器只能被预先定义的任务访问，可以确保一个任务的执行不会导致另一个任务崩溃。有两种实现存储器管理的基本方式。使用固定大小的存储块，称为页，另一种使用可变大小的存储快，称为段

2.地址翻译

存储器管理提供了两种不同的服务。第一种是将逻辑地址映射到可用的物理存储器之中，第二种功能发生在物理地址耗尽之时，由于数据不在内存之中，逻辑地址到物理地址的映射不能完成。

3.二级表

由于现在的内存很大，如果只使用1级页表，将会导致巨大的页表，所以引入了2级页表，使用多级页表实现地址转换可以避免使用大容量的页表。

下面是一个二级页表示意图

巴特西

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