【0】寫在前面-為什么需要虛擬存儲器?

0.1）定義：虛擬存儲器其實就是借用了磁盤地址空間，還記得當初我們安裝CentOS，劃分的swap 文件系統嗎？

0.2）VM簡化了鏈接和加載、代碼和數據共享，以及應用程序的存儲器分配：（摘自CSAPP）

• （1） 簡化鏈接： 每個進程都擁有獨立的虛擬地址空間， 且空間范圍一致；（它是可重定向目標文件使用相對物理地址的前提）
  
• （2） 簡化加載： 加載器從不實際拷貝任何數據從磁盤到存儲器。每個頁初次被調用哦時， 要么是CPU取指時引用， 要么是一條正在執行的指令引用一個存儲器位置時引用，VM系統會按需自動調入數據頁；
  
• （3） 簡化共享： 多個虛擬頁面可以映射到同一個共享物理頁面上；
  
• （4） 簡化存儲器分配： 當需要額外的堆空間， os分配連續的虛擬存儲器頁面，這些VP可以映射都任意的物理頁面，這些物理頁面可以任意分散在存儲器中；

0.3）我還想多問一句，為什么有了高速緩存，還需要TLB-translation lookaside buffer,翻譯后備緩沖器呢？

Reason：

引入局部性原則： （摘自CSAPP）

局部性原則保證了在任意時刻， 程序將往往在一個較小的活動頁面集合上工作，這個集合叫做工作集（working set）或者常駐集（resident set）。換句話說， 局部性原則揭示了一個現象：在一段時間內，我們會反復調入或調入同一個或幾個虛擬頁頁面；而且，每次CPU產生一個VA時， MMU就必須查閱PTE， 	以便將VA翻譯為PA， 注意是每次，所以開銷很大；

解決方法： 為了消除這樣的開銷，在MMU中包括了一個關于PTE的小緩存，稱為翻譯后備緩沖器；

關鍵點： 所有的地址翻譯步驟都是在芯片上的MMU中執行的， 因此執行速度非常快；

你要知道計算機中共有7級存儲結構，訪問CPU中的存儲空間（MMU）的速度比訪問緩存的速度可是快了幾個數量級的。

【1】說了這么多，看個荔枝（以下TLB + 頁表 + 高速緩存 是我們手動模擬的）（圖片摘自CSAPP）：

【2】題目：說有虛擬地址 0x03d7， 虛擬存儲器系統如何將其翻譯成物理地址和訪問緩存的。

【3】解答：將以上虛擬地址用二進制表示，如下：

我們看到：VPN=bit13~bit6 =0x0f；VPO=bit5~bit0 = 0x17；TLBT（行索引or標記）=bit13~bit8=0x03; （這里，為什么我管標記叫做行索引，說到本質，叫其行索引，并沒有什么不妥，因為本實例中，cache采用的是直接映射，即每個組就只有一行，所以行索引在此處無意；但若cache是采用組相聯映射或全相聯映射的話，每組就有多行，行索引就起到作用了）；TLBI（組索引）=bit7~bit6=0x3;

相關聲明declaration寫在前面：

• d1) 我們這里是考慮命中的情況，當然，如果不命中， MMU需要從主存中取出相應的PTE；
  
• d2） PS： 命中與否，是看TLB中是否有請求的PTE；
  
• d3）虛擬地址14位，而物理地址12位；

翻譯過程： （干貨）

• （1） MMU（MMU存在于CPU中，是硬件）從虛擬地址中抽取VPN=0x0f；
  
• （2） 再從VPN中抽取出TLBT（行索引）=0x03, TLBI（組索引）=0x3，用于索引翻譯后備存儲器TLB；
  
• （3） 帶著TLBT和TLBI 查看TLB，發現第3組， 有標記位03（當然，這是手動設置的，便于模擬），且有效位=1，故命中；
  
• （4） 命中后，將PPN=0D返回給MMU；
  
• （5） MMU將PPN=0x0D=bit11~bit6 和 虛擬地址的VPO=0x17=bit5~bit0 連接起來，形成物理地址PA 》》 0x357
  
  
• （6） 如上圖所示：我們得到了CT-Cache Tag=0x0D， CI-Cache Index=0x5， CO-Cache Offset=0x3；即得到了緩存標記CT=0x0d，緩存組索引CI=0x5，緩存偏移CO=0x3；
  
• （7） 依據CT、CI、CO，查詢高速緩存（c圖）， 第5組的標記位-0x0D， 故命中；
  

• （8） 在看緩存偏移是0x3，所以取出塊3字節0x1D；
  

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  （Attention）

  對于CT + CI + CO， 我再說的明白一點： CT就是行索引， CI就是組索引， CO就是塊索引；
  Bingo！