CMU 15-213 Intro to Computer Systems Lecture 17

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课程资料：https://github.com/EugeneLiu/translationCSAPP

课程视频：https://www.bilibili.com/video/av31289365/

这一讲介绍了虚拟内存。

地址空间

使用物理地址的系统

用于“简单”系统，例如汽车，电梯和数码相机等设备中的嵌入式微控制器

使用虚拟地址的系统

用于所有现代服务器，笔记本电脑和智能手机
计算机科学的伟大思想之一

地址空间

线性地址空间：连续的非负整数地址的有序集合
$\{0,1,2,3 \ldots\}$
虚拟地址空间：$N=2^n$个虚拟地址集合
$\{0,1,2,3, \ldots, N-1\}$
物理地址空间：$M=2^m$个物理地址集合
$\{0,1,2,3, \ldots, M-1\}$

为什么使用虚拟内存

有效地使用主存
- 将DRAM用作部分虚拟地址空间的缓存
简化内存管理
- 每个进程获得相同的统一线性地址空间
隔离地址空间
- 一个进程不会干扰另一个进程的内存
- 用户程序无法访问特权内核信息和代码

虚拟内存作为缓存的工具

从概念上讲，虚拟内存（VM）是磁盘上存储的$N$个连续字节大小的数组。
磁盘上数组的内容缓存在物理内存中（DRAM缓存）
- 这些高速缓存块称为页面（大小为$P=2^p$字节），称为物理页面（PP）
虚拟内存有对应的虚拟页面（VP）
- 在任意时刻，虚拟页面分为三个不相交的集合：
  - 未分配的：VM系统还未分配（或创建）的页。
  - 缓存的：当且已缓存在物理内存中的已分配页。
  - 未缓存的：未缓存在物理内存中的已分配页。

DRAM缓存的组织结构

DRAM高速缓存组织结构受到巨大的未命中惩罚的驱动
- DRAM大约比SRAM慢10倍
- 磁盘比DRAM慢10,000倍
结果
- 较大的页面（块），大小：通常为4KB，有时为4MB
- 全相联
  - 任何VP可以放置在任何PP中
  - 需要“大”映射函数——与高速缓存不同
- 高度复杂，昂贵的替换算法
  - 过于复杂且开放式，无法在硬件中实现
- 写回而不是直写

启用数据结构：页表

页表是将虚拟页映射到物理页的页表项（PTE）数组
- DRAM中的按进程内核数据结构

页命中

页命中：引用物理内存中的VM字（DRAM缓存命中）
- 例如定位PTE2

缺页

页面错误：引用不在物理内存中的VM字（DRAM缓存未命中）

处理缺页

页面遗漏导致缺页（异常）
页面错误处理程序选择牺牲页（此处为VP 4）
复制VP 3到内存中的PP 3，更新PTE 3，随后返回，重启导致缺页的指令，该指令会把导致缺页的虚拟地址重新发送到地址翻译硬件，此时VP 3已缓存在主存中

分配页面

分配虚拟内存的新页面（VP 5）

局部性救了我们

虚拟内存似乎效率极低，但是由于局部性，它工作的相当好。
在任何时间点，程序都倾向于访问称为工作集的一组活动虚拟页面。
- 时间局部性更好的程序将具有较小的工作集
如果（工作集大小<主存大小）
- 进程性能良好
如果（SUM(工作集大小)>主存大小）
- 抖动：性能崩溃，其中页面不断进行交换（复制）

虚拟内存作为内存管理的工具

关键思想：每个进程都有自己的虚拟地址空间
- 它可以将内存视为简单的线性数组
- 映射函数通过物理内存分散地址
  - 精心选择的映射可以改善局部性
简化内存分配
- 每个虚拟页面都可以映射到任何物理页面
- 虚拟页面可以在不同时间存储在不同的物理页面
在进程之间共享代码和数据
- 将虚拟页面映射到同一物理页面（此处：PP 6）

简化链接和加载

链接
- 每个程序都有相似的虚拟地址空间
- 代码，数据和堆总是从相同的地址开始
加载
- execve为.text和.data节分配虚拟页并创建标记为无效的PTE
- 虚拟内存系统按需逐页复制.text和.data节

虚拟内存作为内存保护的工具

用权限位扩展PTE
MMU（内存管理单元）在每次访问时检查这些位

地址翻译

虚拟地址空间(VAS)
- $V=\{0,1, \ldots, N-1\}$
物理地址空间(PAS)
- $P=\{0,1, \ldots, M-1\}$
地址翻译
- 映射：$V \rightarrow P \cup \{\varnothing\}$
- $\operatorname{MAP}(A)=\left\{\begin{array}{l}A^{\prime} \text { 如果虚拟地址} A \text {处的数据在PAS的物理地址} A^{\prime} \text {处} \\ \varnothing \text { 如果虚拟地址} A \text {处的数据不在物理内存} \text {中}\end{array}\right.$

地址翻译符号总结

$\begin{aligned} &\begin{array}{|c|c|} \hline {\text { 基本参数 }} \\ \hline \text { 符 } \text { 号 } & \text {描述} \\ \hline N=2^{n} & \text { 虚拟地址空间中的地址数量 } \\ \hline M=2^{m} & \text { 物理地址空间中的地址数量 } \\ \hline P=2^{p} & \text { 页的大小 }(\text { 字节 }) \\ \hline \end{array}\\ &\begin{array}{|c|c|} \hline {\text { 虚拟地址（VA）的组成部分 }} \\ \hline \text { 符 } \text { 号 } & \text {描述} \\ \hline \text { VPO } & \text { 虚拟页面偏移量 (字节) } \\ \hline \mathrm{VPN} & \text { 虚拟页号 } \\ \hline \mathrm{TLBI} & \mathrm{TLB} \text { 索引 } \\ \hline \mathrm{TLBT} & \mathrm{TLB} \text { 标记 } \\ \hline \end{array}\\ &\begin{array}{|c|c|} \hline {\text { 物理地址（PA）的组成部分 }} \\ \hline \text { 符 } \text { 号 } & \text {描述} \\ \hline \text { PPO } & \text { 物理页面偏移量（字节） } \\ \hline \text { PPN } & \text { 物理页号 } \\ \hline \mathrm{CO} & \text { 缓冲块内的字节偏移量 } \\ \hline \mathrm{CI} & \text { 高速缓存索引 } \\ \hline \mathrm{CT} & \text { 高速缓存标记 } \\ \hline \end{array} \end{aligned}$