"该资源是关于计算机系统基础的第六章——层次结构存储系统,特别是段式虚拟存储器的地址映像。内容涵盖了存储器概述、主存与CPU的交互、磁盘存储、高速缓存、虚拟存储器以及IA-32/Linux的地址转换。讨论了在程序执行过程中如何进行地址转换,包括查TLB、查页表、访问Cache、访问主存和磁盘,以及硬件和操作系统的协同作用。"
在计算机系统中,虚拟存储器是一种关键的内存管理技术,它使得程序可以运行在比实际物理内存更大的地址空间中。段式虚拟存储器是其中一种实现方式,它将程序划分为多个段,每个段都有独立的起始地址和最大长度。这种设计允许更好的代码组织和保护,因为不同段可以有不同的访问权限。
在地址映像中,每个段都有一个段表项,包含了段的起始地址、长度和访问权限等信息。当CPU试图访问一个内存地址时,会首先通过逻辑地址(由段号和段内偏移组成)找到相应的段表项。如果段表项的装入位为0,表示段还没有在内存中,此时会发生缺段异常,操作系统需要将该段从外存加载到主存。如果偏移量超出段的最大长度,就会引发地址出界异常。另外,如果访问操作与段的访问权限不符,如尝试读取只写段或写入只读段,就会触发保护违例。
地址转换是虚拟存储器的核心,IA-32/Linux系统中,逻辑地址首先转换为线性地址,然后线性地址再转换为物理地址。这个过程中可能涉及到TLB(Translation Lookaside Buffer)的查找,如果命中则快速完成转换,否则需要查询页表。访问Cache是为了优化内存访问速度,利用局部性原理,将最近频繁使用的数据保存在高速缓存中,减少主存访问。
程序的执行,尤其是指令的读取和执行,离不开存储器的交互。例如,CPU从主存中读取指令,将结果存回内存,或者在执行过程中通过栈进行数据的存储和检索。访存操作的效率直接影响到程序的运行速度。因此,理解虚拟存储器的工作原理,优化Cache策略,以及有效地处理异常情况,都是提高系统性能的关键。
在教学中,理解这些概念不仅有助于深入学习计算机系统,还能指导程序设计,使其更高效地利用存储资源。通过学习这一章,学生应能掌握存储器层次结构,理解虚拟存储器的实现方式,并能够分析和解决与地址转换和存储访问相关的问题。