VM部分整理

前言

1. 为什么需要VM?
2. VM的三大重要能力是什么？
3. VM为谁提供地址空间？

知识梳理

1. 一个系统中的进程是与其他进程共享 CPU 和主存资源的。
2. 它为每个进程提供了一个大的、一致的和私有的地址空间。
3. VM三大重要能力：

• 它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，它高效地使用了主存。
• 它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了内存管理。
• 它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

虚拟存储系统概念

1. 加载时是否真正从磁盘调入信息到主存？

答：不会从磁盘调入，只是将虚拟页和磁盘上的数据/代码建立对应关系，称为“映射”。
在发生缺页时会“按需调页”。

虚拟内存和物理内存

1. 每一个字节都有唯一的虚拟地址和唯一的物理地址。
2. 主存被组织为一个由 M 个连续的字节大小的单元组成的数组。
   1. 第一个字节的地址位0，第二个字节的地址为1，依次类推。

计算：给出字节数求对应的地址空间的位数？
n位地址空间 包含 个地址数量，一个字节对应一个地址
所以M个字节数，就是指中m位地址空间

3. 虚拟内存VM被组织为一个由存放在磁盘上的 N 个连续的字节大小的单元组成的数组。
4. 每个字节唯一的虚拟地址就作为数组的索引。
5. VP 0就代表 Virtual Page 0，就是指虚拟地址为0。这点在理解图很重要。
6. 一个虚拟地址可以被分为两部分：虚拟页号VPN和虚拟页偏移量VPO
7. DRAM 缓存是全相联的，所以任意物理页都可以包含任意虚拟页。
   1. 就是说PP 0并不一定对应着VP 0，两者索引没有任何关系。所以连续的页VP映射后可能会有不连续的PP。
8. VP与PP
   1. VM 系统通过将虚拟内存分割为称为虚拟页（Virtual Page，VP）的大小固定的块,每个虚拟页的大小为 字节。
   2. 物理内存被分割为物理页（Physical Page，PP），大小也为 P 字节（物理页也被称为页帧（page frame）或者页框）。

注意：

1. 一个VP的大小并不是一个字节的大小
2. VP 与 PP 的大小相等

页表

1. 注意：这种PTE 0并不是页表的一部分；并且PTE 0中数字代表着虚拟页号VPN
2. 页表就是一个页表条目（Page Table Entry，PTE）的数组。

因此，每一行都代表着一个PTE。
假设每个 PTE 是由一个有效位（valid bit）和一个 n 位地址字段组成的。

分页

1. 是否需要将一个进程的全部都装入内存？

答：不需要。根据程序的局部性调入当前活跃的页面，其余留在主存中。

虚拟存储管理概念就是“按需调页”

地址翻译

注意点：

1. MMU在接收到CPU发送的虚拟地址后，会去页表中查询，页表中每一行都是一个PTE，所以MMU只能通过VPN查询到PTEA，即 PTE的地址。当然，加入TBL之后，MMU可以通过VPN查询TLB,直接得到PTE。

对比页表的TBL，两者都是将VPN作为索引，同时每一行都是一个PTE
但是页表在主存里，TLB在MMU 中，减少访问主存次数，加快了地址翻译速度

2. 最后对PPN和PPO进行构造物理地址的也是MMU

缺页注意点：

1. 页面命中完全是由硬件来处理的，与之不同的是，处理缺页要求硬件和操作系统内核协作完成。

操作系统内核负责维护主存页表的内存，以及在磁盘的DRAM之间来回传送页面。

2. 是MMU在接收到PTE之后触发异常，因为MMU会查询PTE 中的有效位，如果有效位为零则说明该页没有缓存在主存里。此时MMU传递 CPU 中的控制到操作系统内核中的缺页异常处理程序，这里便体现了硬件和操作系统内核协作完成。
3. 缺页处理程序页面调入新的页面，会更新内存中的 PTE。之后缺页处理程序返回到原来的进程，再次执行导致缺页的指令。CPU 将引起缺页的虚拟地址重新发送给 MMU。

在取出PTE之后MMU需要对PTE的有效位进行检查，那么可能会出现的异常情况：
有效位为1时要去考虑保护违例或访问违例的情况

将 VM 与物理寻址的高速缓存结合

1. 高速缓存无需处理保护问题，因为访问权限的检査是地址翻译过程的一部分。
2. 页表条目可以缓存，页表条目也是有地址的PTEA。可以大幅度减少访问主存的次数。

因此，PTEA命中则返回PTE地址，不需要去访问主存。
PTEA不命中则再去内存找PTE。

利用TLB加速地址翻译

关于TLB:

1. 在 MMU 中包括了一个关于 PTE 的小的缓存，称为翻译后备缓冲器（Translation Lookaside Buffer，TLB）
2. TLB 每一行都保存着一个由单个 PTE 组成的块。
3. TLB是为了减少主存访问页表的次数
4. TLB中的页表是由Cache中的页表项组成的，经常要查的页表放在Cache中

关于TLB内部不同组成部分：

地址翻译的不同结果

寻址方式：

1. TLB是虚拟地址寻址的
2. cache、主存是物理地址寻址的
3. 磁盘是磁盘的方式地址寻址的 。

结果：

1. CPU产生一个虚拟地址VA到MMU中，MMU首先根据虚拟页号VPN在TLB中找PTE。TLB命中，则MMU检查PTE的有效位，命中则取出PA，用PA在cache中找该PA对应的数据，如果找到，就把数据从cache中返回给CPU。
2. 如果得到的 PTE 是无效的，那么就产生一个缺页，内核必须调入合适的页面，重新运行这条加载指令。
3. 如果 TLB 不命中，那么 MMU根据VA，应用一定的逻辑计算出PTE的物理地址PTEA，用PTEA在cache中找PTE。
   1. 如果cache命中，把PTE返回给MMU，并填充到TLB中。
   2. 如果cache未命中，则用PA从主存中取数据，返回数据并填充cache对应部分。