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寄存器组可以分为两类一类是专用寄存器另外一类是通用寄存器。

运算器和控制器里面的寄存器都是专用寄存器组而通用寄存器的用途广泛可以由程序员规定其用途

虚拟内存

如果所有的程序都是直接操作物理内存那么当多个程序同时运行时就可能会对同一个物理地址进行操作这样就可能会出现错误所以为了避免这种情况引入了虚拟内存的概念程序直接访问的是虚拟内存虚拟内存经过CPU中的内存管理单元(MMU)

可以转化成对应且不同的物理地址这样就规避掉了多个程序运行访问同一个物理地址的情况.

虚拟地址和物理地址主要有两种转化关系分别是内存分段和内存分页.

内存分段

内存分段的情况下虚拟内存分成两部分分别是段选择因子和段内偏移量

段表由基地址段界限特权等级组成

1.会产生大量的外部内存碎片虽然空闲的内存很多但都是不连续的这样就会导致即使空闲内存大小

2.内存交换效率低当交换一大段连续的内存时将内存数据写入外存会非常占用时间.

内存分页

内存分页主要解决了内存分段情况下产生的外部内存碎片以及内存交换效率低两个问题.

内存分页情况下虚拟内存和物理内存之前是通过页表来映射的,而页表也是存放在内存管理单元MMU里的.

如果想要访问的虚拟内存在页表中查不到那么便会返回一个缺页异常进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表最后再返回用户空间恢复进程的运行。

页和页之间是紧密排列的只会产生内部内存碎片即使程序大小不足一页也至少需要分配一页内存而不会产生外部内存碎片

如何解决内存交换速度慢

当内存不够时或者说是缺页中断时所需要的页面不在物理内存中会触发内存交换把不常用的内存页面释放掉换出写入磁盘然后把需要的内存页面从磁盘写入内存换入所以内存分页下的内存交换只需要交换一个或少数几个页就行了内存交换的效率就比较高.

1.最佳页面置换算法

页号是页表的索引通过查找页表可以获得物理页号物理页号页内偏移量就可以得到物理地址了

多级页表

大小的页表看起来也不是很大。

但是要知道每个进程都是有自己的虚拟地址空间的也就说都有自己的页表。

那么100

如图一级页表有1024个页表项每一个页表项对应着一个二级页表每一个二级页表又有1024个页表项一级页表和二级做乘法102410242的10次方2的10次方所以刚好可以覆盖掉4G的虚拟内存

疑问点

所以说如果所有的页表项都被使用的话二级页表比一级页表还要耗内存

但是计算机存在局部性原理如果一级页表没有被用到的话就不会创建对应的二级页表这也是二级页表省内存的原因.

TLB

把最常访问的几个页表项存放入CPU中的Cache高速缓存里这个Cache就叫TLB

地址总线用于指定

首先CPU会访问自己的【程序计数器PC】,程序计数器里存放的是指令的地址然后它会通过【控制器】操作【地址总线】来访问内存地址通知内存要访问的地址并等待内存把数据准备好然后接受内存的数据然后将指令数据存放入【指令寄存器(IR)里】

程序计数器PC自增自增的程度取决于CPU的位宽如果是32位CPU,代表一次能处理4个字节的数据所以PC自增4

检查【指令寄存器IR】中指令的类型如果是运算类型则交给算术逻辑单元ALU如果是存储类型则交给控制单元

高速缓存cache

Cache是位于CPU和内存之间的临时存储器它的容量比内存小但数据交换速率却快很多。

CPU

当CPU需要读取数据时它会首先从Cache中查找。

如果数据已经在Cache中即高速缓存命中CPU可以直接从Cache中读取数据并处理。

这大大减少了从内存中读取数据的延迟提高了CPU的执行效率。

如果数据不在Cache中即高速缓存未命中CPU会从内存中读取数据并同时把这个数据所在的数据块调入Cache中。

这样如果CPU后续还要读取这个数据块中的其他数据就可以直接从Cache中获取而不需要再次访问内存。

这种方式有效地减少了CPU访问内存的次数提高了程序的执行效率。

此外除了读取本次要访问的数据CPU还会预取本次数据的周边数据到Cache中。

这是基于程序运行的局部性和时间局部性原理即当一条指令正在被执行时在很短的时间内这条指令周围的指令也会有很大的概率被执行。

因此预取周边数据到Cache中可以使得以后对整块数据的读取都从Cache中进行不必再调用内存。

总之Cache的出现是为了解决CPU处理速率和主存访问速率差异过大的问题。

通过把数据暂时存放在Cache中CPU可以更快地获取需要的数据减少了访问内存的延迟提高了程序的执行效率。