深入理解计算机系统 第 17 课 Virtual Memory - System

了解了基本的虚拟内存概念，这节课我们来具体看看 Core i7 和 Linux 的内存系统，相信会对虚拟内存这一套机制有更深刻的认识。

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开始之前我们还是先复习一下基本的概念：

地址翻译实例

然后来看一个简单的例子：

• 14 位的虚拟地址
• 12 位的物理地址
• page size 为 64 字节

如下图所示

TLB 的配置为：

• 16 entries
• 4-way associative

如下图所示

然后来看看 page table，一共有 256 个 entry，这里列出前 16 个：

最后来看看系统本身缓存：

• 16 lines, 4-byte block size
• Physically addressed
• Direct mapped

一定要注意好不同部分的所代表的位置，这里我也会尽量写得清楚一些，来看第一个例子：

虚拟地址为 0x03D4

具体的转换过程如下图所示：

具体来梳理一次：

先看 TLB 中有没有对应的条目，所以先看虚拟地址的第 6-13 位，在前面的 TLB 表中，根据 TLBI 为 3 这个信息，去看这个 set 中有没有 tag 为 3 的项目，发现有，并且对应的 PPN 是 0x0D，所以对应到物理地址，就是 PPN 加上虚拟地址的 0-5 位，而具体的物理地址又可以在缓存中找到（利用 cache memory 的机制），就可以获取到对应的数据了。

下面的例子同样可以按照这个方法来进行分析

案例学习：Core i7

我们先来看看整体的架构

这里先留意一点，为什么 L1 d-cache 比上 L2 unified cache，和 L1 d-TLB 比上 L2 unified TLB 的比例一样呢？

可以清楚地看到，从 TLB 到 Page table 以及对应 cache 的转换，结合上面的说明仔细体会下。接下来的内容比较偏理论，大家有一个基本的认识即可（因为平时编程理论上也不会涉及到这些）

Core i7 有 4 层的 page table，前 3 层的结构一样，如下图所示

第四层有少许不同，具体看下面的说明：

具体的翻译过程为：

接下来就可以回答前面的问题了，为啥是成比例的呢？原因很简单！用来加速 L1 的访问！

Virtually indexed, physically tagged

案例学习：Linux Process

这一部分也是了解一下即可（具体可以不用太深究）

Linux 以不同的『区域』来组织虚拟内存

下面是处理 page fault 的机制：

内存映射

初始化虚拟内存的过程，实际上就是把对应的虚拟内存和磁盘上的对象关联起来的过程，称之为内存映射(memory mapping)

Linux 中所谓的『交换分区』就是这么来的（我估计）

• Process 1 maps the shared object
• Process 2 maps the shared object
• Two processes mapping a private copy-on-write(COW) object
• Area flagged as private copy-on-write
• PTEs in private areas are flagged as read-only

• Instruction writing to private page triggers protection fault
• Handler creates new R/W page
• Instruction restarts upon handler return
• Copying deferred as long as possible!

Fork 函数就是这种机制的一个很好的例子：

接着来看看 execve 函数

最后介绍了 mmap 函数，这里不赘述了。

这一部分比较偏向实际，主要还是要理解虚拟内存的机制（具体现代的处理器和操纵系统已经『太』复杂了）