CMU 15-213 Introduction to Computer Systems学习笔记(16) Virtual Memory: Concepts
Virtual Memory: Concepts
Address spaces
A System Using Physical Addressing
在使用物理寻址的系统中，以CPU执行一条移动指令为例，生成了一个有效的物理地址，这个地址实际上是主存储器中一个字节的偏移量，如上图，CPU在这里生成的物理地址为4，然后内存从该地址获取其中保存的字，然后将其发送回CPU，实际上，这是非常简单的微控制器工作的方式，但是这并不是大多数系统的工作方式，包括手机，台式机和服务器，这些系统虚拟化这个主存储器，虚拟化这个概念在计算机科学中是非常重要的。
A System Using Virtual Addressing
请求实际上是由一块称为MMU的内存管理单元的硬件来处理的。CPU将该地址发送给MMU,这是一个称为地址转换的过程，在这个例子中，它将虚拟地址4100转换为物理地址4，这实际上对应我们想要的数据对象的地址，MMU将虚拟地址转转为物理地址之后，然后内存将返回存储再该地址中的字。
我们为什么要这么做，事实证明，虚拟化地址空间有各种充分的理由，
Address Spaces
地址空间是一个集合(set)，不是数据字节的集合，而是那些字节的地址的集合，并且线性地址空间是连续的非负整数集合，虚拟地址空间是包含N=2^n个虚拟地址的集合，是线性地址空间。物理地址空间是包含M=2^m个物理地址的集合，通常虚拟地址空间比物理地址空间大得多。
物理地址空间对应于系统中实际拥有的DRAM容量，对于在该系统上运行的所有进程，虚拟地址空间是相同的。
Why Virtual Memory (VM)?
第一，虚拟内存使用DRAM作为存储在磁盘上的实际数据的缓存，可以将虚拟内存视为存储再磁盘上的数据的DRAM缓存，这样我们能够更有效的使用内存，因为我们只需要缓存经常使用的数据，（与在讨论缓存和局部性时学到的思想相同）。
第二，它大大简化了内存管理，我们可以发现，地址空间对每个进程来说是一样的，（代码和数据总是加载到固定的地址，堆栈位于用户可见地址空间的顶部），
第三，它允许我们对访存进行访问，可以防止其他进程访问，虚拟内存允许我们创建这些单独的受保护的私有地址空间。
VM as a tool for caching
虚拟内存系统中的那些块被称为页面，他们通常比我们学过的缓存块要大得多。从概念上来讲，这个虚拟内存可以看作存储再磁盘上的一系列页面，这就是所谓的虚拟页面，并且这些页面中的每一个都将标识一个数字，比如虚拟页面VP0,VP1。然后这些页面的一部分存储再物理DRAM存储器中，然后又一些映射，告诉我们哪一些page已经被缓存，有一些页面甚至没有被分配，因为它们不存在于磁盘上，因为我们真的不想把地址空间的每个页面都存储起来，因此大多数地址空间是未分配的。
DRAM Cache Organization
我们可以这么想，这个DRAM只是一个缓存，但它的组织形式与我们之前所学的缓存非常不同，而这种差异是由于未命中时的巨大代价所致，如果你有一个缓存和DRAM，那么在未命中时就要从磁盘中获取数据项，会消耗很多的时间，这就是虚拟内存缓存的设计动机。
Enabling Data Structure: Page Table
在上面的图中，有一些page被缓存在memory中，当有一个vitrual address被传入的时候，通过page查到，就表示一次hit。
page hit
当页表中存在对虚拟地址空间中的字的引用的时候，会发生页面命中，这个字包含在缓存在DRAM中的页面中。我们知道CPU在执行指令时，生成一个虚拟地址，MMU在页表中查找，我们假设此虚拟地址位于虚拟页面2中的某个位置，那么MMU就去查找第二个页表目录，然后他就会得到虚拟页面2的物理地址，那样会有一个hit（见上图)，现在内存可以将该物理地址返回给MMU。
未命中是对未在物理内存中缓存的字的引用。在上面的例子中，虚拟页面3没有缓存在DRAM中，它存储在硬盘上，所以现在触发异常，缺页异常，在硬件中，硬件触发异常，这使得控制权转移给内核中称为缺页处理程序的代码。这段代码选择要驱逐的牺牲页。
Handling Page Fault
在上面的例子是被驱逐的牺牲页是页面4，然后从磁盘中获取虚拟页面3，将其加载到内存中，然后更新此页表条目，以反映虚拟页面4现在存储在磁盘上的事实，如果虚拟页面4曾经被修改过，那么必须将修改的内容写入磁盘。
Allocating Pages
假设你调用了需要分配大块虚拟地址空间的malloc函数，如果一个页面尚未分配，那么内核或者malloc函数必须通过调用名为sbrk的函数来分配该内存，sbrk的功能只需分配空间，只需更改此页表条目即可，然后当实际访问该页面的时候，它才会被放入缓存。
Locality to the Rescue Again!
由于程序的局部性原理，如果工作集小于主储存器大小，那么内存可以存放下工作集中的所有页面，然后事情就会很好。但是当工作集的大小超过了主存储器的大小，就会很糟糕，进程互相颠簸并导致页面来回的复制，因此这样进程永远不会将其工作集完全放入内存中，学习地址转换时，我们将学到一个称为翻译后备缓冲器的小硬件缓存，这进一步利用了程序的局部性。
好的，因此虚拟内存是一种缓存工具，也是内存的管理工具。
VM as a Tool for Memory Management
VM as a tool for memory protection
虚拟地址空间的有些部分是只读的，比如代码段，地址空间中有些部分只能由内核执行，
像x86-64这样的系统上，这是一个64位系统，意味着所有的指针和地址都是64位的，但是实际上虚拟内容是48位的，48位以后的全部是0或者全部是1，这是英特尔定义的规则，高位的地址都是1的地址是为内核保留的，是内核中的代码或者数据，高位都是0的地址是为用户代码保存的。
通过向PTE添加位的简单技术，我们提供了这种自动的方式，保护虚拟空间的地址的不同部分免受未经授权的访问。MMU在每次检查时访问这些位，比如如果你在尝试做一个操作，但是相应的权限位是0，那么它就会抛出一个异常，由内核来处理。
Address translation
接下来就是深入了解细节，了解地址翻译到底是怎么运作的。
我们有N个元素的虚拟地址，M个元素的物理地址，通常N比M大，但也不是必须这样，这也完全没有理由（哈哈哈教授好可爱，还摊手），M也有可能比N大很多。
因此给定地址空间，我们有一个map函数，可以从V映射到P与一个空元素的并。
对于虚拟地址a，如果虚拟地址a处的数据位于物理地址a',那么MAP（a）=a'.
Summary of Address Translation Symbols
Address Translation With a Page Table
前面的p位移对应于页面偏移，剩余的位对应于虚拟页号，这是全相联的，所以只有一组。
地址转换的目的是为了对于给定的一个虚拟地址，得到相应的物理地址。
物理地址中的物理页号来自页表条目（page table entry)。有趣的是，物理地址的物理页面偏移部分来自虚拟页面偏移，这两个偏移是相同的。
Address Translation: Page Hit
Address Translation: Page Fault
Speeding up Translation with a TLB
Accessing the TLB
TLB Hit
TLB Miss
Multi-Level Page Tables
后面听的懵逼了。。emmm
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