19、深入理解计算机系统笔记，虚拟存储器，基本原理（1）

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、虚拟存储器（Virtual Memory），是硬件异常，硬件地址翻译，主存，磁盘文件和内核软件的完善交互，它为每个进程提供一个大的，一致的，私有地址空间。通过一个清晰的机制，虚拟存储器提供了三个要重的能力：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，它高效的利用了主存；它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理；它保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

3、物理和虚拟寻址

计算机系统的主存被组织成一个由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个惟一的物理地址（physical address,PA）。第一个字节地址是0，接下来的字节地址为1，...

早期的PC使用物理寻址，而且诸如数字信号处理器，嵌入式微控制器以及Cray超级计算机这样的系统仍然继续使用这种寻址方式。而为通用计算机设计师的现代处理器使用的是虚拟寻址（virtual addressing）。

    MMU（memory management unit，存储器管理单元），利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容由OS管理。

4、地址空间

地址空间为非负整数地址的有序集合：｛0，1，2，...｝

如果地址是连续的，则称为线性地址空间。如果计算机有n位地址总线，在一个带有虚拟存储器的系统中，CPU从一个有N = 2n个地址的地址空间中生成虚拟地址，这个地址称为虚拟地址空间：｛0，1，2，...,N-1｝

物理地址空间，与物理存储器的M个字节相对应：｛0，1，2，...M-1｝

M不要求是2的幂。

允许每个数据对象（字节）有多个独立的地址（属性），其中每个地址都选自一个不同的地址空间，就是虚拟地址的基本思想。主存中的每字节都有一个选自虚拟地址空间的虚拟地址，和一个选自物理地址空间的物理地址。

5、虚拟存储器作为缓存的工具

概念上言，虚拟存储器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。每字节都有一个惟一的虚拟地址，这个惟一的虚拟地址是作为到数组的索引的。磁盘上数组的内容被缓存到主存中。和存储器层次结构中其他缓存一样，磁盘（较低层）上的数据被分成块，这些块作为磁盘和主存（较高层）之间的传输单元。VM系统通过将虚拟存储器分割成称为虚拟页（virtual page,VP）的大小固定的块，来处理这个问题。每个虚拟页的大小为P = 2p字节。类似地，物理存储器被分割成物理页（physical page,PP），大小也为P字节（物理页也被称为页帧，page frame）。

在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：

未分配的：VM系统还未分配或创建的页。未分配的块没有任何数据与它们相关联，因此也就不占用任何磁盘空间。

缓冲存：当前缓存在物理存储器中的已分配页。

未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页。

因为大的不命中处罚和访问第一字节的开销，虚拟开销趋向于很大，典型地是4~8KB。由于大的不命中处罚，DRAM缓存是全相联的。也就是说，任何虚拟存储页都可以放置在任何的物理页中。DRAM缓存总是使用写回(write back)。

1）页表

    存放在物理存储器一个数据结构，叫做页表（page table）。页表将虚拟页映射到物理页。

页表就是一个PTE（page table entry，页表条目）的数组。虚拟地址空间中的每个页在页表中的一个固定偏移量处都有一个PTE。

NULL：未分配。

VP3，VP5：已分配，但是还未被缓存。

VP1：已分配，已缓存。