一片自留地 UCB CS162（操作系统）L12-L14 计算机的地址转化

magicyang · 2021年02月12日 · 1465 次阅读

地址转化

关于内存需要注意如下的几个方面：

地址是需要翻译的，这里用的是 mips 指令举的例子：

程序执行流程：

MMU（Memory Management Unit)
地址转化可以对程序间进行保护。

简单的 Base & Bound 存在问题，这也是引入分段，引入虚拟内存的原因之一。

内存分段

内存分割示例：

当超出申请空间的情况，就会出现 segment fault。如果熟悉 C/C++，应该对段错误不陌生。

从虚拟内存到实存：

转化需要判断：1.是否越界 2.内存是否有效
MMU 是处理器的单元，虚存到实存的转化也是在处理器中实现。所以绿色的这张表也存放在处理器中。

一个 16bit 分段内存的示例：

在处理器中，只有读写内存的操作需要处理实存数据（实际上处理寄存器，虚存地址转实存地址放寄存器）。
其他跳转等都是虚拟内存空间。（处理器，做虚存到实存的地址转化。缺页由操作系统生成页表，然后由页表对应实存。）

分端总结：

PS:如果 Linux 装的多的朋友，应该知道装机的时候需要分配一部分硬盘空间做 swapping.

分段在资源利用和碎片化上存在一定的问题。

内存分页

为了减少移动开销和碎片化的问题，使用固定大小的页来存储内存。但这样将同时管理多个分页，而不是管理少量的段。

注意，段表是放在处理器中的。页表每个进程是独立的，页表存放在物理内存中。
一个简单的通过页表将虚存转化成实存的例子：

内存共享

当有了分页以后，分页的页表由每个进程独立维护，那么意味着多个进程的虚拟内存可以对应相同的物理实存。

这里分 4 种情况分别论述：

1.内核态可以访问所有用户态的页面，做好用户态到内核态切换即可。
2.如果两个进程运行相同的库，只做执行，代码空间不会进行复制。
3.共享库，共享库完成数据共享、交互。
4.使用共同的物理内存。1 个进程里的多个线程共享用的就是这种方式。多进程的情况下，有文件、socket、system call 等多种方式申请共享内存。

基于安全的内存分配考量：

个人只简单了解了一下。
示例：

stack 内存申请实例：

page table 的大小：

64 位就会非常大，大部分页表都是无效的，因此 64 位需要使用页表分级。

简单分页讨论：

页表在上下文切换的时候需要保留且不能修改。上下文切换的时候页表指针会根据进程的不同和用户态/内核态的不同指向不同的地址空间。

分级页表

32 位的 10+10+12 的两级页表。

对于分级页表的核心思考在于，不使用的二级页表不会生成对应的存储空间，可以解决单级页表稀疏化的问题。

关注一下 CR3，在进行上下文切换时，这个寄存器会产生作用。

PTE

多级页表的每个条目是一条 PTE。

PTE 的使用：

多级分页共享

相对于单级分页，可以在每一级进行共享。
如上图所示，两个进程的 1 级页表指向了同一个二级页表，那么这个二级页表内的所有内存资源都是可以共同访问的。

多级页表示例：

多级页表分析：

整体看分段、分页

回来看多模切换

整体流程表：

逻辑地址通过 GDT（global descriptor tables）转化成虚存地址，然后再通过页表转化成实存地址。

关于 GDT/LDT 的理解可以参考https://www.techbulo.com/708.html，也是利用分级的思想。
64 位 X86 的页表

4 级页表，每级 9bits，共 48bits。

反向页表

不常用，可扩展性偏弱。

地址转化方法比较

整理来看 MMU

页表的 Cache

地址转换的 cache->TLB(Translation lookaside buffer)

页表总结：

缓存

可以看到 TLB 的 CACHE 和内存的 CACHE 结构是一致的。
内存的 cache 基础（ Direct Mapped Cache、 Set Associative Cache、Fully Associative Cache）请移步 CS61C。
从操作系统的角度来看 cache:

这里视频提到了false sharing，false sharing 涉及 cache 一致性，涉及 emsi 协议，基础的内容请移步 CS61C。
可以参考：
https://www.zhihu.com/question/307351068/answer/576670796
这个回答。