19、深入理解電腦系統筆記，虛擬儲存空間，基本原理（1）

1、一個系統中的進程是與其他進程共用CPU和主存資源的。

2、虛擬儲存空間（Virtual Memory），是硬體異常，硬體地址翻譯，主存，磁碟檔案和核心軟體的完善互動，它為每個進程提供一個大的，一致的，私人地址空間。通過一個清晰的機制，虛擬儲存空間提供了三個要重的能力：它將主存看成是一個儲存在磁碟上的地址空間的快取，在主存中只儲存即時區域，並根據需要在磁碟和主存之間來回傳送資料，通過這種方式，它高效的利用了主存；它為每個進程提供了一致的地址空間，從而簡化了儲存空間管理；它保護每個進程的地址空間不被其他進程破壞。

3、物理和虛擬定址

電腦系統的主存被組織成一個由M個連續的位元組大小的單元組成的數組。每位元組都有一個惟一的物理地址（physical address,PA）。第一個位元組地址是0，接下來的位元組地址為1，...

早期的PC使用物理定址，而且諸如數位訊號處理器，嵌入式微控制器以及Cray超級電腦這樣的系統仍然繼續使用這種定址方式。而為通用電腦設計師的現代處理器使用的是虛擬定址（virtual addressing）。

    MMU（memory management unit，儲存空間嵌入式管理單元），利用存放在主存中的查詢表來動態翻譯虛擬位址，該表的內容由OS管理。

4、地址空間

地址空間為非負整數地址的有序集合：｛0，1，2，...｝

如果地址是連續的，則稱為線性地址空間。如果電腦有n位地址匯流排，在一個帶有虛擬儲存空間的系統中，CPU從一個有N = 2n個地址的地址空間中產生虛擬位址，這個地址稱為虛擬位址空間：｛0，1，2，...,N-1｝

物理地址空間，與實體儲存體器的M個位元組相對應：｛0，1，2，...M-1｝

M不要求是2的冪。

允許每個資料對象（位元組）有多個獨立的地址（屬性），其中每個地址都選自一個不同的地址空間，就是虛擬位址的基本思想。主存中的每位元組都有一個選自虛擬位址空間的虛擬位址，和一個選自物理地址空間的物理地址。

5、虛擬儲存空間作為緩衝的工具

概念上言，虛擬儲存空間被組織為一個由存放在磁碟上的N個連續的位元組大小的單元組成的數組。每位元組都有一個惟一的虛擬位址，這個惟一的虛擬位址是作為到數組的索引的。磁碟上數組的內容被緩衝到主存中。和儲存空間階層中其他緩衝一樣，磁碟（較低層）上的資料被分成塊，這些塊作為磁碟和主存（較高層）之間的傳輸單元。VM系統通過將虛擬儲存空間分割成稱為虛擬頁（virtual page,VP）的大小固定的塊，來處理這個問題。每個虛擬頁的大小為P = 2p位元組。類似地，實體儲存體器被分割成物理頁（physical page,PP），大小也為P位元組（物理頁也被稱為頁幀，page frame）。

在任意時刻，虛擬頁面的集合都分為三個不相交的子集：

未分配的：VM系統還未分配或建立的頁。未分配的塊沒有任何資料與它們相關聯，因此也就不佔用任何磁碟空間。

緩衝存：當前緩衝在實體儲存體器中的已指派頁。

未緩衝的：沒有緩衝在實體儲存體器中的已指派頁。

因為大的不命中處罰和訪問第一位元組的開銷，虛擬開銷趨向於很大，典型地是4~8KB。由於大的不命中處罰，DRAM緩衝是全相聯的。也就是說，任何虛擬儲存頁都可以放置在任何的物理頁中。DRAM緩衝總是使用寫回(write back)。

1）頁表

    存放在實體儲存體器一個資料結構，叫做頁表（page table）。頁表將虛擬頁映射到物理頁。

頁表就是一個PTE（page table entry，頁表條目）的數組。虛擬位址空間中的每個頁在頁表中的一個固定位移量處都有一個PTE。

NULL：未分配。

VP3，VP5：已指派，但是還未被緩衝。

VP1：已指派，已緩衝。