程序存儲器的擴展程序存儲器是計算機系統中存放程序和數據的核心部件。為了滿足不斷增長的存儲需求，程序存儲器需要不斷擴展。課程導入程序存儲器存儲程序和數據，CPU訪問的直接對象存儲器容量存儲器的大小，單位通常為字節或字訪問速度CPU訪問存儲器數據的快慢，單位通常為納秒存儲器層次結構回顧存儲器層次結構是一種將不同速度、容量和成本的存儲器組合在一起的系統，以提高系統性能。緩存（Cache）、主存（MainMemory）和輔助存儲器（SecondaryStorage）共同構成計算機系統中的存儲器層次結構。緩存是最快、最昂貴的存儲器，用于存儲經常訪問的數據和指令。主存是速度較快、成本較低的存儲器，用于存儲正在執行的程序和數據。輔助存儲器是最慢、成本最低的存儲器，用于存儲不常使用的程序和數據。程序存儲器概述1存儲程序程序存儲器主要存儲計算機程序的指令和數據。它是計算機的核心組件之一。2執行指令CPU從程序存儲器中讀取指令，并根據指令執行相應的操作，例如數據運算、邏輯判斷等。3高速存儲程序存儲器需要提供高速的讀寫速度，以確保計算機程序能夠快速運行。4容量要求程序存儲器的容量需要足夠大，以滿足現代計算機運行大型程序和大量數據的需求。程序存儲器的擴展需求隨著程序規模的不斷增大，以及多任務操作系統和虛擬內存技術的應用，程序存儲器容量的需求不斷增加。為了滿足這些需求，需要對程序存儲器進行擴展，以提供更大的存儲空間。擴展方式一:分段1邏輯地址空間將程序分成多個段2段表存儲每個段的起始地址和長度3物理地址空間將每個段分配到物理內存分段是一種將程序邏輯地分成多個段的地址轉換方法，每個段可以有不同的長度。通過段表來管理這些段的起始地址和長度，在運行時，將邏輯地址轉換為物理地址。分段機制的實現邏輯地址的轉換邏輯地址被轉換為物理地址,并通過分段表找到對應的物理地址,確保內存管理的安全性分段表的建立操作系統需要維護一個分段表,用于記錄每個段的基地址和長度,實現內存空間的管理段表管理操作系統需要管理分段表的建立、修改和刪除等操作,確保分段機制正常運行段頁式內存管理將分段機制與分頁機制相結合,可以更好地管理內存空間分段機制的優缺點分析優點分段機制能夠實現邏輯地址空間的獨立性，不同程序之間可以共享數據，提高內存利用率。缺點分段機制需要額外的硬件支持，如段表和段寄存器，增加了系統開銷。應用場景分段機制適合于需要邏輯地址空間獨立性的應用場景，如多用戶操作系統和數據庫系統。擴展方式二:分頁分頁是另一種常見的程序存儲器擴展方式。它將程序邏輯地址空間劃分為固定大小的頁面，并將物理內存也劃分為相同大小的頁框。1邏輯地址被分成固定大小的頁面2物理地址被分成固定大小的頁框3頁表存儲頁面的物理地址4地址轉換通過頁表將邏輯地址轉換為物理地址分頁機制允許非連續的物理內存來存放程序，提高內存利用率，并簡化內存管理。分頁機制的實現1邏輯地址到物理地址的轉換邏輯地址由頁號和頁內偏移量組成，物理地址由幀號和幀內偏移量組成。分頁機制通過頁表將邏輯地址轉換為物理地址。2頁表頁表是操作系統管理的一種數據結構，它包含每個頁面的物理地址信息，以及其他控制信息，例如訪問權限、狀態等。3頁面替換當要訪問的頁面不在內存中時，需要進行頁面替換。操作系統會選擇一個頁面從內存中移出，并將要訪問的頁面加載到內存中。分頁機制的優缺點分析優點提高內存利用率，減少內存碎片，方便內存管理，易于實現程序共享。缺點需要額外的內存空間存放頁表，增加了地址轉換時間，可能會出現頁表缺失問題。頁表的組織形式單級頁表每個進程只有一張頁表。頁表的大小與虛擬地址空間的大小成正比。適合于虛擬地址空間較小的系統。多級頁表將頁表分成多個層次，每個層次對應一個頁表。適用于虛擬地址空間較大的系統。可以有效地減少頁表占用的內存空間。反向頁表以物理頁號為索引，每個條目對應一個虛擬頁號。適用于多個進程共享物理內存的系統，可以提高內存利用率。頁表項的內容11.頁框號指示該頁所對應的物理內存頁框的編號，用于定位頁面的物理地址。22.狀態位記錄頁面的狀態信息，例如是否在內存中、是否被修改過等。33.保護位用于控制對頁面的訪問權限，例如讀、寫、執行等。44.其他信息可能包含其他信息，例如時間戳、修改次數等，用于頁面管理和調度。換出頁面的替換算法1最佳頁面置換算法最優算法，但無法實現2最近最少使用(LRU)基于最近訪問時間3先進先出(FIFO)最簡單的算法4時鐘算法LRU的近似算法選擇合適的替換算法對系統性能至關重要，需考慮算法復雜度和性能表現。快表(TLB)的作用加速地址轉換TLB存儲最近使用的頁面映射，減少了訪問主存頁表的次數，加快了地址轉換速度。提高系統性能通過減少內存訪問次數，TLB有效地提升了CPU的執行效率，從而提高了整個系統的性能。降低內存訪問時間由于TLB存儲在高速緩存中，訪問速度遠快于主存，有效地降低了內存訪問時間。快表的工作原理1.虛擬地址查找CPU訪問內存時，首先訪問虛擬地址。2.快表查找CPU檢查快表，查看該虛擬地址是否已映射到物理地址。3.命中快表若命中，直接獲取物理地址，并訪問內存。4.未命中快表若未命中，訪問頁表，獲取物理地址，并將該條目添加到快表。5.訪問內存CPU使用獲取的物理地址訪問內存。快表的組織形式關聯存儲器快表通常使用關聯存儲器實現，可以快速查找頁面號。內容可尋址存儲器快表也被稱為內容可尋址存儲器，通過頁面號直接訪問對應條目。多級結構某些系統中，快表可能采用多級結構，提高效率。快表的替換算法1隨機替換算法(LRU)最近最少使用頁面優先被替換2先進先出算法(FIFO)最早進入快表的頁面優先被替換3最不常用算法(LFU)訪問次數最少的頁面優先被替換快表中頁面的替換算法決定了哪一個頁面會被移出快表。根據頁面訪問頻率、訪問時間等因素選擇合適的替換算法可以提高快表的命中率。分段和分頁的對比分段分段是一種基于邏輯地址空間的管理方式，它將程序和數據分成若干個邏輯段，每個段有獨立的地址空間，方便程序模塊的獨立編譯、鏈接和裝入。邏輯地址空間按程序邏輯劃分段表管理分頁分頁是一種基于物理地址空間的管理方式，它將程序和數據分成若干個固定大小的頁，每個頁對應物理內存的一個或多個頁框，方便內存分配和管理。物理地址空間按物理內存劃分頁表管理虛擬地址空間的劃分用戶空間用戶程序運行的地址空間，由操作系統分配，獨立于其他用戶進程。系統空間操作系統內核運行的地址空間，用于管理系統資源，提供系統服務。保護機制操作系統通過地址空間的劃分，防止用戶程序訪問系統空間，保護系統安全。地址轉換機制1邏輯地址邏輯地址是程序員使用的地址，它表示程序在虛擬內存中的地址空間。2物理地址物理地址是內存控制器訪問內存的地址，它表示內存的實際物理位置。3地址轉換過程地址轉換過程將邏輯地址轉換為物理地址，涉及頁表查找、頁面替換、快表匹配等操作。頁面置換算法1最佳置換算法理想情況，將最長時間不會被訪問的頁面換出，但無法實現。2先進先出(FIFO)根據頁面進入內存的順序，將最先進入的頁面換出，簡單易實現，但可能將頻繁使用的頁面換出。3最久未使用(LRU)將最近最少被使用的頁面換出，性能較好，但實現復雜度較高。4時鐘算法將所有頁面組織成一個循環隊列，根據訪問時間，將較早訪問的頁面換出，實現簡單，性能較好。工作集理論11.工作集定義程序在一段時間內所訪問的頁面集合。22.工作集大小工作集的大小取決于程序的運行特征和時間窗口。33.工作集管理操作系統應該將工作集駐留在內存中，以減少頁面置換的次數。44.工作集理論應用工作集理論可以用于優化頁面置換算法，提高內存利用率。TLB的優化策略緩存優化TLB的緩存命中率會影響系統性能，優化緩存策略可以提高命中率，減少頁面訪問時間。算法改進選擇合適的替換算法，例如LRU或FIFO，可以提高TLB的效率和命中率。并行處理使用多級TLB或并行TLB，可以提高TLB的容量和性能，減少沖突和等待時間。硬件加速利用硬件加速技術，例如硬件TLB，可以提高TLB的訪問速度和處理能力。程序存儲器擴展的未來趨勢非易失性內存(NVM)NVM技術將改變程序存儲器，它提供比傳統DRAM更快的速度和更低的功耗，從而顯著提升系統性能和能效。基于云的存儲云存儲技術將為程序存儲器擴展提供新的思路，允許用戶通過網絡訪問龐大的存儲空間，從而滿足日益增長的數據存儲需求。課程小結程序存儲器擴展分段和分頁機制擴展程序存儲器,提高了內存利用率和系統效率。地址轉換虛擬地址到物理地址的轉換,涉及到頁表、快表和頁面置換算法。頁面置換算法選擇最優頁面置換算法，降低頁面失效率，提高系統性能。未來趨勢程序存儲器擴展將朝著更高效率、更安全和更智能的方向發展。思考與探討程序存儲器擴展