计算机组成原理：第三章 存储系统

3.1 概述

3.1.1 存储器分类

1.按存储介质分类

(1) 半导体存储器：TTL 、MOS，易失 (2) 磁表面存储器：磁头、载磁体 (3) 磁芯存储器：硬磁材料、环状元件 (4) 光盘存储器：激光、磁光材料

2. 按存取方式分类

1. 存取时间与物理地址无关（随机访问）：随机存取存储器
2. 存取时间与物理地址有关（串行访问）：顺序存取存储器

3. 按在计算机中的作用分类

4. 按读写功能分类

• 只读存储器ROM
• 随机存取存储器RAM

3.1.2 存储器的层次结构

1. 存储器三个主要特性的关系

2. 缓存 主存层次和主存 辅存层次

• 高速缓冲存储器（缓存）简称cache，它是计算机系统中的一个高速小容量半导体存储器。
• 主存储器简称主存，是计算机系统的主要存储器，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。
• 外存储器简称外存（辅存），它是大容量辅助存储器。

在CPU和主存之间加一个缓存，主要是解决CPU和主存速度不一致的问题，主存速度比CPU慢很多，增加一个较快的缓存可以解决这个问题。而在主存后面增加一个外存是为了解决容量不足的问题，外存比较便宜且容量大，但是速度慢，可以存放一些暂时不用的数据。

3.2 主存概述

3.2.1 主存储器的技术指标

存放一个机器字的存储单元，通常称为字存储单元，相应的单元地址叫字地址。而存放一个字节的单元，称为字节存储单元，相应的地址称为字节地址。如果计算机中可编址的最小单位是字存储单元，则该计算机称为按字寻址的计算机。

主要技术指标有：

• 存储容量：主存 存放二进制代码的总位数
• 存取时间：存储器的访问时间，读出时间和写入时间
• 存储周期：连续两次独立的存储器操作（读或写）所需的最小间隔时间，读周期和写周期。
• 存储器带宽 位/秒

3.2.2 主存储器的基本组成

• 存储体： 存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件可以寄存一位二进制代码0/1。

对于上述概念我们可以这样来记忆： 存储体呢，相当于一栋大楼，大楼内有很多房间（存储单元），每个房间内又有很多床位（存储元件），那么0代表床上无人，1代表床上有人。

• 存储单元： 以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。一个存储单元可以存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，代码位数位存储字长。存储单元有编号，这些编号称为存储单元的地址号。存储单元按地址寻访。这些地址都是二进制的形式。
• MAR 存储器地址寄存器。保存了存储单元的地址（编号）。其位数反映存储单元的个数。

比如有16个存储单元，而存储单元的地址是用二进制表示的，那么用4位二进制数就可以表示。MAR的位数就是4位。那么相反，如果我们知道MAR有4位，那么存储单元就有24个，16个存储单元。所以MAR反映存储单元的个数。

• MDR 存储器数据寄存器，其位数反映存储字长。存放的是：存储器中从存储某单元读出、或要写入某存储单元的数据（代码）。如果MDR=8，每个存储单元进行访问时，数据是8位，存储字长8位。

3.2.3 主存和 CPU 的联系

要想完成一个完整的取或存操作，CPU（控制器）还得给主存加以各种控制信号（读命令、写命令、地址译码驱动信号等）。

现代计算机中： 1.主存由半导体集成电路构成 2.驱动器、译码器和读写电路均在存储芯片中 3.MAR和MDR在CPU芯片中 4.存储芯片和CPU芯片可以通过总线（系统总线）连接 5.地址总线用来指出存储单元地址号。

3.2.4 主存中存储单元地址的分配

上图中的表格，一小格代表一个存储单元，大方块是主存中的存储体。以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。通常，字由字节组成，图中，4个存储单元又构成了1个字，每个字有字地址（左边的0、4、8）。如果字的高有效位放在内存的低地址端，称为大端（大尾）方式，反之称为小端（小尾）方式。

1.地址线24根，一共可以寻找到 2^{24} 个字节的地址，故寻址范围为 2^{24}B = 16MB（B表示字节）。 2.字长为16位，也就是说一个字由两个字节组成，如果同样是24根地址线，那么按照字寻址，可以找到 16 / 2 = 8MW 的字，W = word。 3.同样的，32位说明一个字由4个字节组成，一共有16/4 = 4 MW。

3.2.5 半导体存储芯片简介

1. 半导体存储芯片的基本结构

• 地址线是单向输入的，其位数与芯片的容量有关。
• 数据线是双向的(有的芯片可用成对出现的数据线分别作用输入或输出)，其位数与芯片可读出或写入的数据位数有关，其位数与芯片的容量有关。
• 读\写控制线，控制芯片读写操作，WE为写控制信号，OE为读控制信号，都是低电平有效。
• 片选线，有CS和CE两种，分别为芯片选择器和芯片使能器。
• 地址线和数据线共同来反应存储芯片的容量，比如地址线10根，数据线4根，芯片容量为2^10 x 4 = 4K位

2. 存储芯片片选线的作用（存储器扩容）

用8片存储芯片组成一个 16K×8位 的芯片组，一个芯片输出一位，8个同时进行读写，同时受一个片选线控制。再用四组上述芯片组，构成一个容量为64K的存储器。当地址为65535（2^64-1）时 应该对最后一组芯片进行读写操作，则最后一组片选线低电平有效，其他的片选线保持高电平无效。

如上图所示，用8个1K* 4位的存储芯片组成 4K * 8位的存储器，将两个芯片作为一组，片选线连在一起，受同个信号控制，地址线需要12根，其中10根作为芯片的地址线， A_{10} 和 A_{11} 作为片选译码器，用于选择哪个具体的芯片组。

3. 半导体存储芯片的译码驱动方式

线选法：

用一个地址译码器来寻址，例如输入0000，则表示寻找地址为0的存储单元，对其进行读写操作。这种驱动方式的缺点是，如果地址线很多，比如有20条，那么就能表示1M条地址，相应地译码器的输出也就有1M条线，近百万条的电路是很不现实的，所以在大规模存储元件就无法使用线选法。

重合法：

将存储单元排列成一个二维矩阵，X地址译码器表示二维矩阵的第一维，Y地址译码器表示二维矩阵第二维，比如X输入0000，Y输入0000，表示对坐标为（0,0）的存储单元进行读写。

3.3 静态随机存取存储器

静态RAM(Static Random Access Memory,SRAM)

3.3.1 基本的静态存储元列阵

如图为静态RAM的基本电路：

T1−T4为一个触发器，两端为输入端，A^’为触发器非原端（即反相输入，输入信号为0，触发器内记录为1），A为触发器原端，对应地，左边的写放大器做了取反处理，就是因为左边为触发器的非原端。

T_5、T_6 为行开关，同时打开表示这一行打通，信号可以在这一条路上流通（就是一个三极管，看成一个闸门，控制左右两端的连通）

T_7、T_8 为列开关，类似行开关，同时打开表示此列打通。

上述的一个个单元按照列阵的形式排列成下图的形式，构成了静态存储元阵列。如下图所示，有6条地址线，指定了存储器的存储容量为 2^{6} = 64 个存储单元，四条数据线表示存储器的字长为4位，故存储位元的总数为 64 * 4 = 256 个。R/W线控制读写。

1. 静态 RAM 基本电路的 读 操作

分别打开行列选择线，对应图中紫色的线路打通，数据从A端向下从 D_{out} 流出。

2. 静态 RAM 基本电路的 写 操作

分别打开行列选择线，使得紫色的线路打通，数据从写输入端流入，左边经过取反后流入A^’， 右边流入A。

3.3.2 SRAM 读/写时序

3.4 动态随机存取存储器

3.4.1 工作原理

• 图为由一个MOS晶体管和电容器组成的单管DRAM记忆电路，MOS管作为开关，电容器存储信息，电荷满表示1，电荷空表示0.
• 写入操作：输出缓冲器和刷新缓冲器关闭，输入数据送到存储元位线上，行选线为高打开MOS管，位线上的信号对电容器进行充放电过程，实现写入操作。
• 读出操作：写入缓冲器和刷新缓冲器关闭，输出缓冲器和行选线为高打开MOS管，电容器进行充放电，信号通过位线送到输出端，实现读出操作。
• 刷新操作：读出过程破坏电容上存储的信号，要重新写入，即刷新。读出过程可以完成刷新，读出信号后通过刷新缓存器重新对电容充放电，实现重新写入数据。

3.4.2 逻辑结构

3.4.3 读/写时序

3.4.4 刷新操作

1.集中刷新

每一个刷新周期中集中一段时间对DRAM的所有行进行一次刷新，对于一次刷新周期来说，一般前半段时间由来读写操作，后面留出一部分时间专门用于刷新，且刷新和读写互斥，故会出现一段时间无法进行读写，称为死区。

2.分散式刷新

刷新时间被均匀地分配到刷新周期里面，无死区，但是刷新次数过多，产生很大无用刷新。

3.分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新）

将刷新时间划分成几块，每小块进行集中刷新，宏观开起来又是分散式刷新，虽然还是存在死区，但是将刷新安排在指令译码阶段，就不会出现 “死区”。

3.4.5 SRAM和DRAM比较

SRAM采用6个晶体管和1个触发器作为一个存储单元，设计复杂，集成度低，价格高，功耗大，由于SRAM不需要刷新所以速度较快,速度快的要求导致其使用单行译码，行译码的限制使其存储容量小，以上特点使其一般用于缓存。

DRAM采用一个晶体管和一个电容作为一个存储单元，需要刷新，存储容量大但是速度较慢，一般作为主存。

3.4.6 提高访存速度的措施

提高访存速度的措施主要有：采用高速器件、采用层次结构 Cache-主存、 调整主存结构。 主要介绍调整主存结构。

1.单体多字系统

主要用来扩容，增加存储器的带宽。在存储体和CPU之间增加数据寄存器，数据先存在数据寄存器中，每次需要数据直接从数据寄存器中取即可。但是存在一定问题：

• 如下图的结构，每次CPU向数据寄存器写入四个W位数据，然后存入存储体，但如果某次CPU只修改了第一个W位数据，但是寄存器还是会向存储体存入4个W位数据，导致数据错误。所以需要额外的电路实现正确的存储，电路会比较复杂。
• 如果所取的数据不是连续的，比如第一条指令是跳转指令，跳转到有个很远的位置，那么这次读取的数据只有第一位有效。

出现上述问题的原因是，每次存取数据都是一块一块地拿，不够灵活，于是出现了多体并行系统。

2.多体并行系统：高位交叉

如图，有多个存储体，编号为 M_0 到 M_3 ，从某个存储题开始顺序编址，，每个存储体有各自的控制电路，各个体并行工作，CPU给出地址格式为：体号+体内地址。但是存在问题：

• 程序按序存储，一个程序的指令是从0000一位一位往下存，所以程序执行的时候，某个存储体会不停被访问而其他存储体空闲，导致资源浪费。

其实这种方式很像存储器的扩容操作，（见3.2.5.2），所以这种方式也就适合存储器的扩容，不能实现程序的并行运行。

3.多体并行系统：低位交叉

如图，按照横向编码，那么一个程序的指令会被拆分在多个存储器中，实现了并行。再观察地址，可以发现规律：前四位表示体内地址，后两位表示体号。在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽。

• 相关题目：

解释：M_0 先进行存取，经过 τ 后 M_1 ,开始进行存取，经过 τ 后 M_2 ,开始进行存取，依次进行下去，我们发现，除了第一个字需要 T 的时间存取完成，后面都只需要 τ 的时间就可以完成一次存取操作,故读取4个字需要的时间为 T + (4-1)τ。

3.5 高速缓冲存储器Cache

CPU速度快，主存速度慢，且每年CPU速度的提升比主存快，CPU和主存的速度差距越来越大，但是CPU再快，没有主存数据的输入也只能空等，故在CPU和主存之间设置一个缓存，其速度比主存快，容量比主存小，利用的局部性原理，将必要的一块数据存进缓存，CPU需要数据时先访问缓存，如果没有找到再去主存中读取，这种方式使得CPU的效率得到很大的提升。

3.5.1 Cache工作原理

1. 主存和缓存的编址

如图，缓存和主存的地址都分为两部分，其中两者的块内地址相等，块内地址的大小决定了块的大小，比如块内地址为4位，并且编址方式为字节，则每块大小为16字节。另外，cache中还存在一个标记，用于标识当前cache块对应的主存块号。

2.命中和未命中

主存和缓存按块存储，块的大小相同，若缓存共有 C 块，主存共有 M 块，那么 M 远远大于 C，CPU在主存中申请数据，如果这一块数据已经在缓存中了，则直接从缓存中调入CPU，这称为命中，否则表示未命中。如果命中，说明主存块和缓存块之间建立了对应关系，用 标记记录与某缓存块建立了对应关系的 主存块号。

3.命中率

CPU 欲访问的信息在 Cache 中的 比率，设 N_c 表示通过cache完成存取的总次数，N_m 表示通过主存完成存取的总次数，h 定义为命中率，则：h = N_c/(N_c + N_m)

命中率与 Cache 的 容量 与 块长 有关。容量越大越容易命中。块如果太小，则装不下一条指令，需要多个块；块太大，则总块数太少，块的大小适中，命中率越高，一般每块可取 4 ~ 8 个字，块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度。

4.Cache的访问效率

t_c 表示命中时的cache访问时间， t_m 表示未命中时的主存访问时间， 1-h 表示未命中率，则平均访问时间 t_a = ht_c+(1-h)t_m，若e表示访问效率，则：e = t_c/t_a，可以知道访问效率介于 ：t_c/t_m — 1。

5. Cache 的基本结构

CPU通过地址总线发送主存块号，由于Cache和主存的块内地址编号相同，可以直接转换。主存块号先经过主存Cache地址映射变换机构判断是否命中:

• 如果命中则给出相应的Cache地址的块号，然后从Cache存储体中取数据通过数据总线送给CPU。
• 如果未命中，则查看Cache是否已满：
  • 如果未满，则通过主存块号访问主存，将数据装入Cache，Cache和主存有一条直接通路。
  • 如果已满，则经过Cache替换机构，通过替换算法，判断是否替换Cache的数据，以及和谁替换。
  • 与此同时，主存将CPU所需的数据通过数据总线直接交给CPU

主存Cache地址映射变换机构： 地址映射用于判断主存的数据可以存入到哪些Cache块中，变换机构用于查找某个主存块号所对应的Cache地址块号。

3.5.2 Cache 的读写操作

1. 读操作

2.写操作

主要解决问题：Cache 和主存的一致性。

• 写直达法（Write – through） 写操作时数据既写入Cache又写入主存，写操作时间就是访问主存的时间，Cache块退出时，不需要对主存执行写操作，更新策略比较容易实现，缺点是：会造成Cache和内存数据的频繁信息交换，如不停进行求和。
• 写回法（Write – back） 写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存，当 Cache 数据被替换出去时才写回主存，无法保证Cache和内存操作时间的一致性，在并行计算机（多个独立Cache和主存）中会出现问题。

3. Cache 的改进

• 增加 Cache 的级数：片载（片内）Cache，片外 Cache，采用多级Cache
• 统一缓存和分立缓存：指令Cache和数据Cache是否独立存放，与指令执行的控制方式有关

3.5.3 Cache-主存的地址映射

1. 直接映射

将主存的字块进行分区，每个分区的大小和cache的大小相同，主存的第j块字块只能放在cache的第i块中，i = j mod C，C为cache的块数。如主存储体中蓝色部分只能放在Cache中的蓝色部分。

CPU给出的主存地址由三部分组成：主存字块标记，Cache字块地址，字块内地址。

主存字块标记就是主存的分区号；分区内的块号就是cache字块地址；字块内地址就是字块内的偏移地址，在Cache和主存中相同，不用处理。以第0块为例：由于cache中的第0块装的可能是主存中任意一个分区的第0块，所以需要比较主存字块标记和cache上的标记是否相同，如果相同则说明命中。

该方式的缺点是cache的利用率不高，可能会反复换出同一个cache字块而其他字块空闲。

2. 全相联映射

Cache利用率高，只要Cache中有空余则就可以装入。由于可以装入到任意的位置，所以要和Cache所有的块比较判断是否命中，比较次数多。同时主存字块标记要存m位（即主存块号），比较的位数也多，时间慢，电路复杂。

3. 组相联映射

直接映射和全相联映射方式是两个极端，一个只能放在固定位置，一个可以放在所有位置，各自的优缺点也很明显，组相连映射是一种中庸的思路。首先将cache分为Q组，同时将主存进行分区，每个区的块数等于cache的组数，每个区的第i块只能放在cache的第i组中，但是在组中的位置可以任意。

某一主存块 j 按模 Q 映射到缓存的第 i=j mod Q 组中的任一块，其中主存块第 j 块只能放在 特定的第 i 组中，属于直接映射的思想，而可以放在特定组中任意一块，属于全相连映射的思想。

主存地址的组成如图所示，在cache中查找时，先根据组地址（即j mod Q）找到cache对应的组，然后通过若干个并行的比较器（个数由每组块数决定）比较主存字块标记（即主存的分区号），只要有一个命中则命中。

3.5.4.考试例题

第一问： 由于不考虑Cache的一致性维护和替换算法的控制位，总容量就是：行数 * 每行容量，即 8 * 64 = 512B 第二问： 根据题目可知，一个int类型数据占32位，cache每行容量和主存每行容量相同，故主存一行容量为64B，那么一行可以放 64/(32/8) = 16 个数字。由于数组的首地址为320，对应的是主存的第5行，说明数组从主存的第5行开始存储，每行存16个数字。又因为按照行优先存储，a[0][31] 前有31个元素，由于每行放16个数字，所以a[0][31] 在第二行，即主存的第6块，按照直接映射，行号为 6 mod 8 = 6。

a[1][1]同理，该元素前面有257个元素，对应块号为21块，直接映射后的行号为 21 mod 8 = 5。

第三问： 两个程序都是两层循环，如果只考虑一次内循环，每次遍历256个数字，由于是按照行优先存储，数字在行方向是连续的，已知每次按照块来交换Cache和内存中的数据，每块16个数字，对于程序A，按照行来遍历，其中第一个数字未命中（交换），剩下的15个元素都可以命中，所以命中率为15/16，而程序B的命中率为0。所以A快。

3.6 虚拟存储器

3.6.1 虚拟存储器的基本概念

1、实地址与虚地址

• 用户编制程序时使用的地址称为虚地址或逻辑地址，其对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间。
• 而计算机物理内存的访问地址则称为实地地或物理地址，其对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间。
• 程序进行虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位，有静态和动态两种。

2、虚存的访问过程

虚存空间的用户程序按照虚地址编程并存放在辅存中。程序运行时，由地址变换机构依据当时分配给该程序的实地址空间把程序的一部分调入实存。每次访存时，首先判断该虚地址所对应的部分是否在实存中：

• 如果是，则进行地址转换并用实地址访问主存；
• 否则，按照某种算法将辅存中的部分程序调度进内存，再按同样的方法访问主存。

由此可见：

• 每个程序的虚地址空间如果远大于实地址空间，则以提高存储容量为目的。
• 虚地址空间如果远小于实地址空间，则以地址变换为目的。通常出现在多用户或多任务系统中：实存空间较大，而单个任务并不需要很大的地址空间，较小的虚存空间则可以缩短指令中地址字段的长度。

3、Cache与虚存的异同

从虚存的概念可以看出，主存-辅存的访问机制与Cache-主存的访问机制是类似的。这是由Cache存储器、主存和辅存构成的三级存储体系中的两个层次。Cache-主存是为了提高速度，主存-辅存则是为了扩容。

相同点：

• 出发点：二者都是为了提高存储系统的性价比而构造的分层存储体系，都力图使存储系统的性能接近高速存储器，而价格和容量接近低速存储器。
• 原理相同：利用了程序运行时的局部性原理把最近常用的信息块从相对慢速而大容量的存储器调入相对高速而小容量的存储器。

不同点：

• 侧重点不同：Cache主要解决主存与CPU的速度差异问题；而就性能价格比的提高而言，虚存主要是解决存储容量问题，另外还包括存储管理、主存分配和存储保护等方面。
• 数据通路不同：CPU与Cache和主存之间均有直接访问通路，Cache不命中时可直接访问主存；而虚存所依赖的辅存与CPU之间不存在直接的数据通路，当主存不命中时只能通过调入解决，CPU最终还是要访问主存。
• 透明性不同：Cache的管理完全由硬件完成，对系统程序员和应用程序员均透明；而虚存管理由软件（操作系统）和硬件共同完成，由于软件的介入，虚存对实现存储管理的系统程序员不透明，而只对应用程序员透明（段式和段页式管理对应用程序员“半透明”）。透明：意思是计算机中存在，但是不需要了解的东西，会用即可。
• 未命中时的损失不同：由于主存的存取时间是Cache的存取时间的5～10倍，而主存的存取速度通常比辅存的存取速度快成千上万倍，故主存未命中时系统的性能损失要远大于Cache未命中时的损失。

4、虚存机制要解决的关键问题

• 调度问题：决定哪些程序和数据应被调入主存。
• 地址映射问题：在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（这一过程称为内地址变换）；在访问辅存时把虚地址变成辅存的物理地址（这一过程称为外地址变换），以便换页。此外还要解决主存分配、存储保护与程序重定位等问题。
• 替换问题：决定哪些程序和数据应被调出主存。
• 更新问题：确保主存与辅存的一致性。

在操作系统的控制下，硬件和系统软件为用户解决了上述问题，从而使应用程序的编程大大简化。

3.6.2 页式虚拟存储器

1、页式虚存地址映射

页式虚拟存储系统中，虚地址空间被分成等长大小的页，称为逻辑页；主存空间也被分成同样大小的页，称为物理页。相应地，虚地址分为两个字段：高字段为逻辑页号，低字段为页内地址（偏移量）；实存地址也分两个字段：高字段为物理页号，低字段为页内地址。通过页表可以把虚地址（逻辑地址）转换成物理地址，过程如下图所示：

由于虚存地址空间可以很大，因而每个进程的页表有可能非常长。例如，如果一个进程的虚地址空间为2G字节，每页的大小为512字节，则总的虚页数为 2^{31}/2^9=2^{22} 。如此一来，页表本身就要占用大量内存，并且还是连续的空间，这好吗？这不好。于是，一些系统把页表存储在虚存中，因而页表本身也要进行分页。当一个进程运行时，其页表中一部分在主存中，另一部分则在辅存中保存。

另一些系统采用二级页表结构。每个进程有一个页目录表，其中的每个表项指向一个页表。因此，若页目录表的长度（表项数）是m,每个页表的最大长度（表项数）为n,则一个进程最多可以有m×n个页。

在页表长度较大的系统中，还可以采用反向页表（反置页表） 实现物理页号到逻辑页号的反向映射。页表中对应每一个物理页号有一个表项，表项的内容包含该物理页所对应的逻辑页号。访存时，通过逻辑页号在反向页表中逐一查找。如果找到匹配的页，则用表项中的物理页号取代逻辑页号；如果没有匹配表项，则说明该页不在主存中。这种方式的优点是页表所占空间大大缩小，但代价是需要对反向页表进行检索，查表的时间很长。有些系统通过散列（哈希）表加以改进，但需要解决地址冲突的问题，这在操作系统中得以完成。

2、转换后援缓冲器

由于页表通常在主存中，因而即使逻辑页已经在主存中，也至少要访问两次物理存储器才能实现一次访存，这将使虚拟存储器的存取时间加倍。为了避免对主存访问次数的增多，可以对页表本身实行二级缓存，把页表中的最活跃的部分存放在更高速的存储器中（局部性原理），组成快表。这个专用于页表缓存的高速存储部件通常称为转换后援缓冲器(TLB)。保存在主存中的完整页表则称为慢表。

3、内页表和外页表

页表是虚地址到主存物理地址的变换表，通常称为内页表。与内页表对应的还有外页表，用于虚地址与辅存地址之间的变换。当主存缺页时，调页操作首先要定位辅存，而外页表的结构与辅存的寻址机制密切相关。例如对磁盘而言，辅存地址包括磁盘机号、磁头号、磁道号和扇区号等。

3.6.3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器

1、段式虚拟存储器：

段是按照程序的自然分界划分的长度可以动态改变的区域。通常，程序员把子程序、操作数和常数等不同类型的数据划分到不同的段中，并且每个程序可以有多个相同类型的段。在段式虚拟存储系统中，虚地址由段号和段内地址（偏移量）组成。虚地址到实主存地址的变换通过段表实现。每个程序设置一个段表，段表的每一个表项对应一个段。每个表项至少包含下面三个字段：

• 有效位：指明该段是否已经调入实存。
• 段起址：指明在该段已经调入实存的情况下，该段在实存中的首地址。
• 段长：记录该段的实际长度。设置段长字段的目的是为了保证访问某段的地址空间时，段内地址不会超出该段长度导致地址越界而破坏其他段。

段表本身也是一个段，可以存在辅存中，但一般是驻留在主存中。

2、段式虚拟存储器的特点

段式虚拟存储器有许多优点：

• 段的逻辑独立性使其易于编译、管理、修改和保护，也便于多道程序共享。
• 段长可以根据需要动态改变，允许自由调度，以便有效利用主存空间。

段式虚拟存储器也有一些缺点：

• 因为段的长度不固定，主存空间分配比较麻烦。
• 容易在段间留下许多外碎片，造成存储空间利用率降低。
• 由于段长不一定是2的整数次幂，因而不能简单地像分页方式那样用虚地址和实地址的最低若干二进制位作为段内偏移量，并与段号进行直接拼接，必须用加法操作通过段起址与段内偏移量的求和运算求得物理地址。因此，段式存储管理比页式存储管理方式需要更多的硬件支持。

3、段页式虚拟存储器

段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合。实存被等分成页。每个程序则先按逻辑结构分段，每段再按照实存的页大小分页，程序按页进行调入和调出操作，但可按段进行编程、保护和共享。

例题：

假设有三道程序，基号用A、B和C表示，其基址寄存器的内容分别为SA、SB和SC。程序A由4个段构成，程序C由3个段构成。段页式虚拟存储系统的逻辑地址到物理地址的变换过程如图所示。在主存中，每道程序都有一张段表，A程序有4段，C程序有3段，每段应有一张页表，段表的每行就表示相应页表的起始位置，而页表内的每行即为相应的物理页号。请说明虚实地址变换过程。

解：地址变换过程如下：

1. 由存储管理部件根据基号C找到段表基址寄存器表第c个表项，获得程序C的段表基址SC。再根据段号S(=1)找到程序C段表的第S个表项，得到段S的页表起始地址b。
2. 根据段内逻辑页号P(=2)检索页表，得到物理页号（图中为10）。
3. 物理页号与页内地址偏移量拼接即得物理地址。

假如计算机系统中只有一个基址寄存器，则基号可不要。多道程序切换时，由操作系统修改基址寄存器内容。实际上，上述每个段表和页表的表项中都应设置一个有效位。只有在有效位为1时才按照上述流程操作，否则需中断当前操作先进行建表或调页。可以看出，段页式虚拟存储器的缺点是在由虚地址向主存地址的映射过程中需要多次查表，因而实现复杂度较高。