计算机原理与嵌入式系统笔记：第七篇

存储管理单元

存储管理单元(Memory Management Unit, MMU)在CPU和物理主存之间进行地址转换，将地址从逻辑空间映射到物理空间，转换过程也称为内存映射。

DSP用于计算密集型任务，通常不使用MMU。

物理地址（physical address）：用于内存芯片级的单元寻址，与实际的RAM单元对应。
逻辑地址（logical address）：程序的抽象地址空间，不与实际的RAM单元对应

地址转换方法

两种基本的地址转换方法：

分段：支持较大的、大小可以不等的内存区域。
- 起始地址+大小
分页：支持较小的、大小相等的内存区域。
段页式寻址模式：将每个段分成页并且其地址转换分成两步的方法来建立。

段地址转换过程

分段寄存器：记录当前的活动段，寄存器存储当前活动段的基地址。
逻辑地址：来自于指令，作为相对段基址的偏移量。
物理地址：将段基址和偏移量相加
范围检查：检查物理地址是否超过段的上限
- 需要在分段寄存器中增加一项存储内容，记录段长。
- 用段长和偏移量进行比较，来判断物理地址的合法性

页地址转换过程

逻辑地址分为两部分：页号和页内偏移量。
页内偏移量表示页的大小，通常在512B到4KB。
页号作为页表的索引。
页表保存每页在物理地址中的基地址。
- 具有大逻辑地址空间的结构需要一个很大的页表。
- 页表一般保存在主存中，意味着地址转换需要访问内存。
物理地址：将页的基地址和偏移量拼接

要记住：物理页地址还要加上Valid项

页地址转换

这个如何计算？

页大小决定了Offset，主存的大小与Offset决定了物理地址的页号，逻辑地址位数与Offset决定了页表项数。

页表的每一相由物理地址页号和Valid位组成。

举个练习例子

页大小为1KB，即Page Offset长度为10。

主存容量为4MB，即物理地址长度为22。因此物理页号长度为22-10+1=13。

对于页表项数，逻辑地址为32位，则虚拟页号长度就是32-10=22，因此页表有2²²项。

转译后备缓冲器

大的页表一般存储在主存中，程序至少需要访问两次主存才能得到数据：

第一次访问主存从页表中获得物理地址；
第二次访问主存根据物理地址获得数据。

转译后备缓冲(Translation Lookaside Buffer, TLB) 使用一个小容量的高速缓存结构来存储页表，利用页表的访问局部性，记录最近使用过的地址映射信息，可以避免每次都要访问主存中的页表，从而提高效率。通常也称为快表。

简单认为TLB是页表的Cache就行了。

不用记数值，但要记TLB、MMU、Cache、主存之间的关系。

TLB的一些典型值：

缓存容量大小：16~512个项
块大小：1~2个页表项
命中时间：< 1个时钟周期
缺失代价：10~100个时钟周期
命中率：> 99%
相联度：容量不大时使用全相联映射
替换策略：LRU或者随机

答案

页大小为2KB，也就是偏移地址为11位。从后往前数11位，也就是开头两位为Tag，Tag为2；

对于2，物理页号为2，则映射后的物理地址就是偏移地址开头加上物理页号，即B。

虚拟内存

虚拟内存（virtual memory） 是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为自己拥有连续可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，应用程序通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

虚拟内存包括主存和磁盘两级存储层次：

增加磁盘作为辅助存储器
主存作为辅助存储器的“cache”

存储管理单元MMU用于管理虚拟内存的地址：

记录有哪些逻辑地址实际驻留在主存中，对于那些没有驻留在主存中的则将其保存在辅助存储器。当程序执行需要时，再将镜像调入主存。
实现地址转换：用表把逻辑地址转换成物理地址。
缺页（page fault）异常：CPU请求了一个不在主存的地址。

触发缺页异常的程序可以重新启动的条件：

所有内容已读到主存中；
MMU表已经进行了相应的更新。

虚拟内存只能使用回写机制：

对磁盘的写操作需要数百万个时钟周期，通写不可行。
增加dirty bit来判断主存中的页是否被修改过，修改过的页称为dirty page。

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答案

第一题：虚拟地址共43位，页大小为4KB，则Offset占据了12位，页表共有31项。每个页表项大小为4B，则总大小为2³³B=8G。

第二题：TLB是页表的Cache，主存是磁盘的Cache，一级Cache是Cache的Cache，二级Cache是主存的Cache。