虚拟存储器

前言：继续底层一点的知识。

neo 真帅

一切都要从为什么要分页开始

为什么要分页

啥是页？记得我们在程序的链接中画的那个图吗？

由于程序的局部特性，在运行的时候，没有把所有程序代码（可执行文件）一次性直接加载到主存中。每次只用执行代码的一部分（这就是分页）。这样就可以节省主存资源，在主存中放入更多的程序

一些基本概念

在上一节中，我们搞清楚了：页就是可执行文件的一部分。

这一节中我们得弄清楚一些基本概念：

• 「逻辑地址、虚拟地址」

  逻辑地址和虚拟地址是一样的东西。程序中指令所用地址。

• 「物理地址」

  存放指令或者数据的实际内存地址

• 虚拟地址与物理地址之间的关系

  有一个叫做「页表」的东西完成了虚拟地址与物理地址之间的转换

详细介绍「页表」

简单来说，页表用来做虚拟地址到物理地址的映射。页表存储在主存中，而有一个保存页表地址的「页表基址寄存器」。

其实用一张图就能表示虚拟存储技术的实质。

页表结构

既然是表，那么就有表项，每个表项都会记录对应代码、数据块的信息。

图中：

• 装入位：表示信息是否有效。

• 修改位：记录当前代码块、数据块是否被修改。采用 write back 的技术更新磁盘，否则太慢

• 替换控制位：当页表满了，需要填入新的页的时候，要根据「替换控制位」选择替换哪个页，与前面说的 Cache 的 LRU 算法类似。

• 其他：我们说，每个页就是代码块，在可执行文件中，每个代码段是有权限的，可读可写还是只可读、可执行

• 实页号：实页就是实际物理地址，它的大小和虚拟地址空间的页相同。所以只要找到虚拟地址的页号对应的实页号就能找到程序

在开始详细的例子之前，我们还得理解一个结构（TLB）

详解 TLB（Translation Look-Aside Buffers）

在之前说 Cache 的时候，我们说，假设 CPU 给的是主存的物理地址。但是在我们学习的时候我们知道，主存给的是虚拟地址。

虚拟地址怎么得到物理地址？去页表中找。

但是我们知道页表存在主存中，访问主存又太慢了，所以在 Cache 中有这样一张 TLB 的表。帮助快速找到物理地址。

把经常要查的页表项放到 Cache 中，这种在 Cache 中的页表项组成的页表称为 Translation Lookaside Buffer 或者 TLB（快表）

又说到表了，逃不开的表项：

这里有两点要注意的：

• TLB 表是全相联，目的就是提高命中率，这样速度更快

• VA 只保存了 tag。原因是，我们只需要知道那一页在不在就好了。虚拟地址是啥：虚拟地址是指令所在的地址。这是包含的指令，我们只需要知道，指令所需的代码页在不在就好了。所以只需要 tag 标签。

好了现在可以完全理解 CPU 访问存储的过程了

CPU 访存的过程

• CPU 给出虚拟地址 VA。
• TLB 根据 VA 的 tag 查表，如果命中，转换成物理地址给 Cache。如果不命中去，页表（主存）里面查询，如果命中，转换成物理地址给 Cache。如果不命中，页缺失。
• Cache 根据物理地址返回给 CPU 数据。

用一张图表示就是这样：

举个具体栗子

• 虚拟地址 = 虚拟页 + 块内地址

• 物理地址 = 物理页 + 块内地址

由于页大小是 64B。按字节编址，就有 64 个块内地址。所以块内地址 6 位。虚拟页 8 位。物理页 6 位

第一问结束，第二问

首先，解释什么是 TLBT 和 TLBI

• TLBI

  TLBI 其实就是 TLB Index。之前我们说 TLB 表项有一项是 VA Tag，对吧。所以 TLBI 其实是 VA Tag 的一部分。用来告诉你在块群里面的相对位置。也就是说，块群的大小与组的大小相等。因此，TLBI 就是 2 位

• TLBT

  TLB Tag 就是 6 位。TLBT 就是告诉你你属于哪个块群

第二问结束，第三问

主存地址 = 块群地址 + 块群内块地址 + 块内地址

所以块内地址 = 2 位

由于是直接映射：也就是块群大小是 16。所以块群内块地址的 = 4 位。最后相减得到块群地址 = 6 位

第三问结束，最后一问

• 第一步，划分地址

TLBT = 0x3 哪一个块群

TLBI = 0x3 块群的那一块

TLBT 要对 TLB 表中的组数取余，决定放哪个组。这里对 4 取余。得到 3。

所以是第三组的第三个数据，代表着我要的数据，查表得到

Y，最后返回 0X0D。

得到 PPN 是 0D。以后，拓展成 12 位：

001101 0101 00

已知前面 6 位是 Catch Tag 后四位 0101 是 Catch Index.也就是说这个数据在 Idx 5 处

对比 Tag 相同。

由于是小端方式。 00 是低位地址，也就是 36。要取 16 位的数据。

所以最后得到：0x7236

......好难....终于写完