現(xiàn)代的操作系統(tǒng)將可執(zhí)行文件加載后，創(chuàng)建了進(jìn)程，進(jìn)程中每一條指令和數(shù)據(jù)都被分配了一個(gè)虛擬地址，CPU獲取到這個(gè)虛擬地址后，需要翻譯成內(nèi)存的物理地址后，才能訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)，本片文章闡述的重點(diǎn)就是虛擬地址翻譯物理地址的流程和實(shí)踐，因此分成2部分闡述

1.虛擬地址翻譯物理地址的流程?

2.舉一個(gè)例子實(shí)踐下?

1、虛擬地址翻譯物理地址的流程?

當(dāng)CPU第一次訪問(wèn)虛擬地址時(shí)，虛擬地址所在的虛擬頁(yè)不在內(nèi)存中，虛擬頁(yè)表項(xiàng)(PTE)也不在TLB中，因此需要執(zhí)行的步驟比較多，如下圖

第一次訪問(wèn)虛擬地址

1.處理器將虛擬地址(VA)送往MMU(內(nèi)存管理單元)

虛擬地址格式

如上圖所示,虛擬地址長(zhǎng)度為n,虛擬頁(yè)偏移量長(zhǎng)度為p。

2.MMU獲取虛擬地址中的虛擬頁(yè)號(hào)(VPN)，然后將虛擬頁(yè)號(hào)發(fā)送給TLB(翻譯后備緩沖器),TLB根據(jù)虛擬頁(yè)號(hào)從TLB映射表中查詢PTE(頁(yè)表項(xiàng)即Page Table Entry)。

PTE(頁(yè)表項(xiàng))

3.TLB(翻譯后備緩沖器)將查詢結(jié)果返回給MMU(內(nèi)存管理單元)

4.MMU(內(nèi)存管理單元)分析查詢結(jié)果是否有PTE(頁(yè)表項(xiàng))，發(fā)現(xiàn)PTE為空，沒(méi)有命中,因此MMU根據(jù)頁(yè)表基址寄存器(PTBR)中的頁(yè)表起始地址加上虛擬頁(yè)號(hào)(VPN)，得出虛擬頁(yè)頁(yè)表項(xiàng)的物理地址PTEA（即Page Table Entry Address），然后將這個(gè)物理地址送往高速緩沖(L1)。

5.高速緩沖(L1)根據(jù)PTEA查詢內(nèi)部的緩沖映射表，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有找到PTEA映射的內(nèi)容即PTE（頁(yè)表項(xiàng)），然后向內(nèi)存請(qǐng)求PTEA下的內(nèi)容。

6.內(nèi)存將PTEA下的內(nèi)容PTE，發(fā)送給高速緩沖(L1)，高速緩沖(L1)建立了PTEA和PTE的映射關(guān)系。

7.高速緩沖(L1)再次根據(jù)PTEA查詢內(nèi)部的緩沖映射表，這次找到了，然后將PTE發(fā)送給TLB。

8~9.TLB收到了PTE后，建立了虛擬頁(yè)號(hào)(VPN)和PTE的映射（8），然后將PTE發(fā)送給MMU。

10.MMU收到了PTE后，檢查PTE的有效位，看看虛擬頁(yè)是否在內(nèi)存中。

11.MMU檢查PTE后，發(fā)現(xiàn)虛擬頁(yè)不在內(nèi)存中，因此發(fā)送缺頁(yè)中斷給CPU，CPU開(kāi)始執(zhí)行缺頁(yè)中斷處理程序。

12.缺頁(yè)中斷處理程序根據(jù)頁(yè)面置換算法，選擇出一個(gè)已經(jīng)緩沖的虛擬頁(yè)作為犧牲頁(yè)（如果這個(gè)虛擬頁(yè)發(fā)生了變化，則更新到磁盤(pán)中），將這個(gè)犧牲頁(yè)的PTE的有效位設(shè)置為0，表明這個(gè)犧牲頁(yè)不在內(nèi)存了。

13.缺頁(yè)中斷處理程序?qū)⑷鄙俚捻?yè)，從磁盤(pán)換入到空閑的物理內(nèi)存中，設(shè)置缺少的虛擬頁(yè)的PTE的有效位為1，更新物理號(hào)。

14.缺頁(yè)中斷處理程序執(zhí)行完畢，跳轉(zhuǎn)到發(fā)生缺頁(yè)的指令處，然后CPU重新執(zhí)行該指令，重新發(fā)出虛擬地址到MMU,跳到了1，開(kāi)啟下一個(gè)循環(huán)。

當(dāng)CPU第二次訪問(wèn)同一個(gè)虛擬地址時(shí)，虛擬地址所在的虛擬頁(yè)已經(jīng)內(nèi)存中，虛擬頁(yè)表項(xiàng)(PTE)也在TLB中了，因此需要執(zhí)行的步驟少了很多，如下圖

第二次訪問(wèn)虛擬地址

1.處理器將虛擬地址(VA)送往MMU(內(nèi)存管理單元)

2.MMU獲取虛擬地址中的虛擬頁(yè)號(hào)(VPN)，然后將虛擬頁(yè)號(hào)發(fā)送給TLB(翻譯后備緩沖器),TLB根據(jù)虛擬頁(yè)號(hào)從TLB映射表中查詢PTE(頁(yè)表項(xiàng)即Page Table Entry)。

3.TLB(翻譯后備緩沖器)將查詢結(jié)果返回給MMU(內(nèi)存管理單元)

4.MMU(內(nèi)存管理單元)分析查詢結(jié)果是否有PTE(頁(yè)表項(xiàng))，發(fā)現(xiàn)PTE有值，命中了，然后檢查PTE的有效位，發(fā)現(xiàn)有效位是1，因此不缺頁(yè)，根據(jù)PTE中的物理號(hào)加上虛擬地址中的(VPO)計(jì)算出指令或者數(shù)據(jù)的物理地址PA,將PA發(fā)送到高速緩沖(L1)

5.高速緩沖(L1)根據(jù)PA查詢內(nèi)部的緩沖映射表，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有找到PA映射的內(nèi)容即指令或者數(shù)據(jù)，然后向內(nèi)存請(qǐng)求PA下的內(nèi)容。

6.內(nèi)存將PA下的內(nèi)容，發(fā)送給高速緩沖(L1)，高速緩沖(L1)建立了PA和內(nèi)容的映射關(guān)系。

7.高速緩沖(L1)再次根據(jù)PA查詢內(nèi)部的緩沖映射表，這次找到了，然后將代碼或者指令發(fā)送到數(shù)據(jù)總線，CPU收到數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)后，感嘆道，終于拿到數(shù)據(jù)了。

當(dāng)CPU第三次訪問(wèn)同一個(gè)虛擬地址時(shí)，與第二次不同的是，因?yàn)樘摂M地址對(duì)應(yīng)的物理地址的數(shù)據(jù)，已經(jīng)映射到高速緩沖(L1),所以不再?gòu)膬?nèi)存中查詢。

好了，虛擬地址翻譯物理地址的整個(gè)過(guò)程闡述完畢，下面來(lái)舉個(gè)具體的例子來(lái)實(shí)踐下！

2、舉一個(gè)例子實(shí)踐

上一節(jié)是虛擬地址翻譯物理地址的過(guò)程，現(xiàn)在實(shí)踐下，實(shí)踐前先普及兩個(gè)概念TLB和高速緩沖。

TLB

TLB全稱(chēng)叫做翻譯后備緩沖器，這是一個(gè)映射表，它建立了虛擬頁(yè)號(hào)（VPN）和頁(yè)表項(xiàng)(PTE)的映射關(guān)系，每次訪問(wèn)虛擬地址時(shí)，都需要找這個(gè)虛擬地址對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)，每次都去內(nèi)存中查需要耗費(fèi)幾十個(gè)甚至上百個(gè)的時(shí)鐘周期，雖然頁(yè)表項(xiàng)緩沖在高速緩沖后，耗費(fèi)的周期可以降到1-2個(gè)周期，但是緩沖在TLB后，幾乎不用耗費(fèi)時(shí)鐘周期，它跟CPU幾乎是同步的，類(lèi)似于寄存器。

那么，虛擬地址怎么通過(guò)TLB映射頁(yè)表項(xiàng)(PTE)呢,先來(lái)看看TLB，我們說(shuō)TLB就是一個(gè)映射表，先來(lái)看看這個(gè)映射表長(zhǎng)什么樣,如下圖

如上圖所示,一個(gè)TLB由m個(gè)TLB組構(gòu)成,每個(gè)TLB組下有個(gè)n個(gè)條目,每個(gè)條目里有PTE和標(biāo)記位構(gòu)成。

標(biāo)記位是一個(gè)數(shù)字，每個(gè)TLB組的標(biāo)記位不能重復(fù)，所以一個(gè)TLB組里，可以根據(jù)這個(gè)標(biāo)記位定位到某個(gè)條目。

每個(gè)組都有一個(gè)唯一的編號(hào)叫做組號(hào)。

因此這么看，TLB就是一個(gè)二維數(shù)組，知道了組號(hào)和標(biāo)記位就可以定位到唯一的PTE（頁(yè)表項(xiàng)）。

虛擬地址中的虛擬頁(yè)號(hào)(VPN)可以拆分成兩部分即組號(hào)和標(biāo)記位，假設(shè)一個(gè)n位長(zhǎng)度的虛擬地址,如下圖

虛擬地址中的TLB部分

由上圖得知,VPN由標(biāo)記位(TLBT)和組號(hào)又叫標(biāo)記索引(TLBI)構(gòu)成,組號(hào)占t位，標(biāo)記位占了虛擬頁(yè)號(hào)剩余的位。

假如一個(gè)TLB有4組，總共有64個(gè)條目，每組就有16個(gè)條目,那么VPN中的組號(hào)就占用2位（2的2次方=4），標(biāo)記位就占用4位(2的4次方=16)。

高速緩沖

高速緩沖通常采用SRAM(靜態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器)進(jìn)行存儲(chǔ),它比內(nèi)存DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器)快上幾十甚至上百倍，因此為了加速CPU獲取數(shù)據(jù)的速度，最近訪問(wèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速緩沖中。

高速緩沖內(nèi)部有一張映射表，這張映射表建立內(nèi)存物理地址PA和該內(nèi)存物理地址下內(nèi)容的映射關(guān)系，如下圖所示

高速緩沖映射表

如上圖所示，映射表分為m個(gè)組,每個(gè)組由標(biāo)記位，有效位，和n個(gè)塊組成，有效位為1表示該緩沖沒(méi)過(guò)期，為0表示該緩沖過(guò)期了。

一個(gè)物理地址由組號(hào)+標(biāo)記位+塊號(hào)構(gòu)成，如下圖所示

物理地址的構(gòu)成

由上圖得知,物理地址為m位，塊號(hào)占用p位，組號(hào)占用t為，剩下的位就是標(biāo)記位占用的位數(shù)。

我們可以根據(jù)物理地址的組號(hào)定位到映射表的一個(gè)組，然后看看這個(gè)組下的有效位是不是為1，如果不為1，那么表示這一組的內(nèi)容都無(wú)效了，沒(méi)有必要比較下去了，因此緩沖沒(méi)有命中，如果為1呢，那么比較這個(gè)組下的標(biāo)記位和物理地址中標(biāo)記位，如果不相等，那就是沒(méi)有命中，如果相等呢，則繼續(xù)根據(jù)物理地址中的塊號(hào)去這個(gè)組相應(yīng)的塊號(hào)下找，如果找到數(shù)據(jù)，則表示命中了，否則緩沖沒(méi)有命中。

假設(shè)一個(gè)高速緩沖有16個(gè)組，每個(gè)組有4個(gè)塊，那么物理地址當(dāng)中組號(hào)占用的空間就是4位(2的4次方等于16）,塊號(hào)占用的位數(shù)就是2位（2的2次方等于4），剩余的位數(shù)就是標(biāo)記位占用的位數(shù)。

好了，概念普及完了，下面正式開(kāi)始舉例

先假設(shè)

1.內(nèi)存是按字節(jié)尋址，每個(gè)字是一個(gè)字節(jié)(通常對(duì)于32位的系統(tǒng)一個(gè)字是4個(gè)字節(jié))。

2.虛擬地址長(zhǎng)度為14位，假設(shè)頁(yè)表有256個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，因此虛擬頁(yè)號(hào)(VPN)占用位數(shù)為8，虛擬一偏移量（VPO）占用6位。

3.物理地址長(zhǎng)度為12位。

4.頁(yè)面大小為64個(gè)字節(jié)(P=64)

5.TLB有4個(gè)組，每個(gè)組4個(gè)條目，總共16個(gè)條目組成

6.高速緩沖(L1)有16個(gè)組，每個(gè)組有4個(gè)塊。

7.采用一級(jí)頁(yè)表(多級(jí)頁(yè)表復(fù)雜些，但原理類(lèi)似)。

先看看虛擬地址和物理地址的格式，如下圖:

虛擬地址

由上圖得知,組號(hào)(TLBI)占用2位，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)TLB有4個(gè)組，標(biāo)記位占用6位。

物理地址

由上圖得知，組號(hào)（CI）占用4位，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)高速緩沖有16個(gè)組，每個(gè)組下有4個(gè)塊，因此塊號(hào)(CO)占用2位,剩下的6位就是標(biāo)記位(CT)。

我們假定TLB,高速緩沖映射表如下圖:

TLB映射表

高速緩沖映射表

頁(yè)表總共有256項(xiàng)，我們把前16項(xiàng)列出，如下圖

頁(yè)表前16項(xiàng)

好了，一切就緒，假設(shè)CPU訪問(wèn)的虛擬地址是0x03d4,它的二進(jìn)制是16位即00000011 11010100,而虛擬地址只有14位，所以高2位被拋棄，如下圖

0x03d4虛擬地址分布圖

由上圖得知，組號(hào)(TLBI)為11即0x03,標(biāo)記位(TLBT)為000011即0x03，從TLB映射表查找，發(fā)現(xiàn)命中了，如下圖

TLB命中

由上圖命中了紅色部分的標(biāo)記位,PTE中的PPN=0x0D,有效位為1，我們根據(jù)PPN然后在加上虛擬頁(yè)偏移量,如下圖

虛擬地址

由上圖，我們得知虛擬頁(yè)偏移量(VPO)為010100=0x14,虛擬頁(yè)偏移量(VPO)=物理頁(yè)偏移量(PPO),即PPO=0x14,PPN和PPO連接起來(lái)就是物理地址PA即001101010100=0x354,如下圖

物理地址

由上圖得知，組號(hào)是0101即0x05,塊號(hào)(CO)為00即0x00,標(biāo)記位為001101即0x0D,通過(guò)組號(hào)+標(biāo)記位+塊號(hào)，可以定位到高速緩沖的數(shù)據(jù)0x36,如下圖所示

物理地址命中數(shù)據(jù)

物理地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)找到了，返回給了CPU，當(dāng)然也可能發(fā)生其他的情況，如TLB未命中，高速緩沖未命中，缺頁(yè)等，這些讀者可以自行實(shí)踐。

審核編輯：劉清