计组-虚拟地址-上

虚拟内存

为什么要有虚拟内存？

一个系统中的进程总是共享着cpu以及主存资源，但是当一个系统同时运行很多程序的时候就存在问题了。

1. 不同的进程可能会不小心修改其他进程正在使用的内存，从而导致意想不到的错误。
2. 当并行程序多的时候每个程序可以使用的内存就会变得很小，程序的性能收到影响，影响用户体验，并且会加剧上述1的情况。

虚拟内存能提供什么？

为每个进程提供一个较大的，私有的，一致的地址空间。并且它所做的所有事情对于上层开发人员，是透明的，上层开发人员只需要享受这些福利。

它的工作机制是怎样的？

在虚拟存储器中有三种地址空间：

1. 虚拟地址空间（虚地址 VA）
2. 主存地址空间（物理地址 PA）
3. 赋存地址空间（磁盘地址）

当CPU通过VA寻找指令或者数据的时候首先将VA交给MMU(存储管理控制部件)，这个MMU主要的作用就是通过查位于主存上的地址表将VA转化为PA，然后访问主存数据返还给CPU。大致的工作流程就是这样。接下来我们一步步进行详细分析。
常见的虚拟存储器将以页为单位进行数据的替换，查找。虚拟地址被划分一个虚拟页号（VPN）和虚拟偏移(VPO)。物理页地址被划分一个物理页号(PPN)以及物理偏移(PPO)。

虚拟地址与实地址的低位被划分为偏移，页偏移的大小也相同。
物理地址与虚拟地址的映射表一般常驻内存，并且每个进程都有自己的页表，页表采用VPN作为索引进行访问，每个表项主要包括有效位以及PPN，读写权限，模式访问权限等信息。页表属于进程控制信息，存放在进程地址空间的内核区。页表在主存中的首地址记录在页表基址寄存器PTBR中。进程切换的时候只用PTBR中的基址值就可以替换页表了。

磁盘的空间被划分为交换分区以及数据分区，交换分区主要存放主存中的页面换出的动态修改的数据。数据分区用于存储程序和数据。主存和磁盘的地址空间合称为虚拟地址空间。

MMU使用VA查找PA的时候只需将VA中的VAN取出加上PTBR中的值就是主存之中PTE(页表项)的地址，再把VPO直接加在PPN后边就可以得到PA了。
我们来看一下虚拟地址的完整访问流程

上图为页命中的情况：
CPU使用VA访问MMU，MMU则根据PTBR的值以及VAN得到PTEA访问主存的PTE,若是当前页有效（还在主存之中，找到了物理页号，并且有效）就是用PA访问主存，主存直接将数据返回给CPU.

当发生缺页的情况：
刚开始同样是MMU访问主存中的PTE，但是这次返回的PTE却是无效的，表明要访问的页不在主存之中，MMU触发异常调用OS的缺页异常程序，从磁盘调入页到主存并且更新所有进程的页表，MMU从步骤2开始工作。

由于cache经常缓存CPU经常用到的数据，因此会把部分连续的页表项置换到cache当中，MMU访问cache的时候就可能先访问到页表项并且拿到了PA这样MMU再次访问先访问cache看其是否命中如是不命中就将页表数据置换进cache并从MMU中取数据。

由于cache缓存页表项的颗粒度较大（就是一次缓存一个数据块）。为了提高缓存的命中概率处理器维护一个TLB(转换旁路缓冲区)专门缓存经常用到的页表项。由于TLB表离CPU很近经常称之为块表将主存包括cache当中的表称之为慢表。
现代处理器一般在查询PA的时候会同时查询块表与慢表，块表如果查到就停止慢表的查找。

由于页表需要OS与硬件同时工作（缺页异常处理，页表的维护），当开机的时候OS还没有完全启动（引导完成前）CPU只能采用物理地址访问主存（实模式），引导完成后进入保护模式（虚地址模式）。