12--第5章-2-存储系统-计算机系统结构.pptVIP

* 5.7.2 快表 页表一般很大，存放在主存中（一般页表本身也是按页存储的）。因此，CPU每次访存至少需要两次访问： 第一次是读取页表项，以获得所要访问数据的物理地址； 第二次用物理地址访问数据。显然，性能受影响太大。 为减少虚实地址转换时间，CPU常设置一个专门用于地址转换的高速缓存，存放最近常用的页表项。这种高速缓存称为地址变换旁查缓冲器（Translation Lookaside Buffer，TLB）或地址变换缓冲器（translation buffer）。 TLB是一个专用的高速缓冲器，用于存放近期经常使用的页表项(全相联)，主要内容是页表部分内容的一个副本。 在进行地址变换时，一般直接查TLB。在TLB不命中时，才需访问内存中的页表。TLB也利用了局部性原理。 TLB中的项与Cache中的项类似，也是由两部分构成：标识和数据。标识中存放的是虚地址的一部分，而数据部分中则存放物理页号、有效位、存储保护信息以及其他一些辅助信息。 为了使TLB中的内容与页表保持一致，当修改页表中的某一项时，操作系统必须保证TLB中没有该页表项的副本。 图5.26是Alpha AXP 21064数据TLB的结构。该TLB共包含32个项，除标识和物理地址外，每项还包含标志位。 * * 图5.26是Alpha AXP 21064数据TLB的结构。该TLB共包含32个项，除标识和物理地址外，每项还包含以下标志位： ① V：有效位。为“1”表示该TLB项有效。 ② R：“读”允许位。为“1”表示允许对该页面进行“读”操作。 ③ W：“写”允许位。为“1”表示允许对该页面进行“写”操作+ 当把Cache和虚拟存储器相结合时，要解决如何使地址变换与访问Cache并行进行的问题。采用容量较小的Cache，把访问Cache的index限制在页内位移的范围内。这样，虚地址一到，就可以立即索引Cache。在读Cache的tag的同时；把虚页号送给TLB进行地址变换。在这两个操作完成之后，把从TLB得到的物理地址与Cache的tag进行比较。在这种方案中，Cache的index用的是虚地址（这部分与物理地址的低位相同），而tag用的则是物理地址。 一般TLB比Cache的标识存储器更小，而且更快，这样才能保证TLB的读出操作不会使Cache的命中时间延长。 例如，在Alpha AXP 21064中，数据Cache有256块，而数据TLB则只有32块（项）。由于TLB的速度至关重要，所以有时TLB的访问按流水方式实现。 * * 5.7.3 进程保护和虚存实例 在多道程序中，计算机资源可以被多道同时运行的用户程序所共享。 为使系统能够正常工作，应防止由于一个用户程序出错而破坏主存中其他用户的程序和数据；还要防止一个用户不合法地访问主存中不是分配给它的存储区域而造成对系统的破坏。 操作系统和系统结构需要为存储系统的安全提供保护手段。 为了保护进程不被其他进程破坏，系统结构至少必须提供给操作系统以下基本的支持： ① 提供至少两种模式，用于区分正在运行的进程是用户进程还是操作系统进程。有时称后者为内核（kernel）进程、超级用户（supervisor）进程或管理（executive）进程。 ② 使CPU状态的一部分成为用户进程可读但不可写的。这包括基地址/上界地址寄存器、用户/管理模式位和异常许可/禁止位。 ③ 提供一种机制，使得CPU能从用户模式进入管理模式和从管理模式进入用户模式。用户模式变换为管理模式是通过系统调用（systemcall）来完成的。 * 一、进程保护 * 保护的手段主要是：将主存区域分为几个区域，使得主存中可以同时存放多个不同进程的状态；并对每个存储区域进行保护，使一个进程的信息不被另一个进程所修改。 存储区域的保护，可用一对寄存器(即界限寄存器)来检查每一个地址，以确保地址在两个界限之间。 * 在虚拟存储系统中，将采用更细微的方法： （1）给每个页或段增加许可标志。例如，因为几乎没有程序有意改变它们自己的程序，通过给页面提供只读保护，操作系统就能检测到对程序的意外的修改。 （2） 页表保护，利用页表的映射关系来限制用户程序的访问地址空间，用户程序不能访问映射表上找不到的主存页面。同时也禁止用户进程修改自己的页表。 （3） 键保护，由操作系统根据主存使用分配的情况，给主存中的每一页分配一个存储键，相当于保护锁。所有页的存储键是在主存相应的快速寄存器内，当用户访问这些页面时，需要一个访问键，相当于钥匙，来打开