虛擬存儲器和高速緩存總結
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概述
為了更加有效的管理存儲器並且少出錯，現代操作系統提供了一種對主存的抽象，叫做虛擬存儲器。虛擬存儲器是被應用程序所意識和使用的。也就是說，它是被抽象出來的，虛擬出來的主存。所以，從應用程序的層面，程序看到的和使用的虛擬地址都是屬於虛擬存儲器的。虛擬存儲器充當一種中間轉換的角色，把虛擬地址對應的主存轉換到真實的主存上面。
如圖：
下圖便是一個虛擬存儲器的表示。
虛擬存儲器是不存在的，是虛擬出來的，如程序文件段，它是對應在磁盤上程序文件所在位置的代碼段的，主存中可能存在著一部分或全部的緩存。運行時堆段對應著磁盤上的swap區，主存中可能存在著一部分或全部的緩存。所以，虛擬存儲器也可以說對程序段的組織，當需要訪問時，再到主存或者虛擬存儲器指向的真正位置去取。
- 它將主存看成是磁盤的一個高速緩存，在主存中只保留活動的區域，並根據需要在磁盤和主存之間傳送數據，進而高效的利用有限的主存。
- 它為每個程序提供了一致的地址空間（虛擬地址空間），簡化了存儲器管理。例如，加載、鏈接和共享因虛擬存儲器而變的簡單。
- 它保護每個進程的地址空間不被其他進程破壞。每個進程的地址空間是私有的，即使所有進程的地址空間範圍是一樣的，訪問的地址也可能相同，但虛擬存儲器管理著進程能訪問到的真實內存，假如程序訪問不存在或使用錯誤權限訪問都將返回錯誤。
虛擬尋址和物理尋址
程序使用虛擬尋址，物理內存使用物理尋址。
程序執行是產生一條虛擬地址，通過MMU（內存管理單元），轉換為物理地址，使用該物理地址訪問物理內存，取得數據。地址空間
地址空間包括虛擬地址空間和物理地址空間。假如一個存儲器的容量是Ｎ＝2n字節，那麽他有N個地址，n位的地址空間。
CPU產生的地址是虛擬地址，屬於虛擬地址空間。現代系統有32位和64位地址空間，這個地址空間就是虛擬地址空間。
物理地址空間是用來尋址物理內存的。
地址空間的概念很重要，它清楚的區分了數據對象（字節）和它們的屬性（地址）。那麽可以將其推廣，允許每個數據對象有多個獨立的地址，其中每個地址都選自一個不同的地址空間。這也是虛擬存儲器的基本思想。
虛擬存儲器架構
如圖：
縮寫解釋：
VA：虛擬地址
VPN：虛擬頁號
PTE：頁表項
PTEA：頁表項地址
PA：物理地址
DATA：數據
MMU：內存管理單元
TLB：地址翻譯緩沖器
設置存儲器層次結構主要是為了緩存低速的存儲器。主存是對磁盤等設備的緩存，cache是對主存的緩存，tlb是對主存頁表的緩存。
尋址方式：
- tlb是虛擬地址尋址的。
- cache、主存是物理地址尋址的。
- 磁盤是磁盤的方式地址尋址的。
- CPU產生一個虛擬地址，虛擬地址傳送到MMU中，MMU首先根據虛擬地址在tlb中找對應的項，對應的項中包含虛擬地址對應的物理地址，如果找到，就用得到的物理地址在cache中找物理地址對應的數據，如果找到，就把數據從cache中返回給CPU。上述的情況是最理想的情況，即tlb命中，cache也命中。
- 如果tlb未命中，則MMU根據VA，應用一定的邏輯計算出PTE的物理地址（PTEA）。用PTEA在cache中找對應的數據（PTE），如果cache命中，把PTE返回給MMU，並填充到TLB中，下次再查找TLB時，TLB就會命中了。
- 如果CACHE未命中，則用PA從主存中取數據，返回數據並填充CACHE對應部分，下次就可以從CACHE中命中。
- 還有一種情況是，如果請求的數據未在主存中緩存，而是在磁盤中，例如頁表項（PTE）中對應的地址是磁盤的地址，主存未命中，稱為缺頁，則缺頁處理程序（操作系統）從主存中找到合適的位置，把磁盤中的內容填充到相應位置。
存儲器的相聯方式
存儲器的相聯方式有全相聯、組相聯、直接相聯。關於相聯方式，現在暫不更新，網上有很多討論了。有一點，我覺得可以提下，理解相聯方式，最後最好從2進制的位變化形式去理解，這樣對理解虛擬地址到物理地址的轉換很有好處。主存對磁盤的緩存
主存和磁盤之間緩存的單位是頁。頁的大小默認是4k，也有大頁2M，甚至1G的，關於大頁的討論，以後再寫文章討論。也就是說，主存緩存磁盤內容是頁大小的整數倍，那麽頁的基地址的最後12位必然是全0的。
cache的訪問速度是主存的10倍，主存的訪問速度是磁盤（機械）的100000倍。所以，缺頁的代價是嚴重的，所以主存對磁盤的相聯方式采用全相聯的方式，即磁盤上的一頁可以放到主存的任意一頁中。並且因為訪問磁盤的時間很長，主存總是采用寫回的方式，而不是直寫。 因為主存的容量相對於磁盤的容量是很小的，所以當運行的程序多的時候，很可能發生沒有閑置的主存了，這時候會發生主存頁面換出（swap），頁面替換處理會找到一個最近最不可能用到的物理頁面換出到磁盤，然後把請求的頁面放到該物理頁面處。所以，系統中可分配的內存總量 = 物理內存的大小 + 交換設備的大小。交換設備可能是swap區和文件。cache對主存的緩存
cache和主存之間緩存的單元是cache行，每個cache行是64字節。和主存對磁盤緩存不同的是，因為cache和主存的速度相差只有10倍，所以當cache miss時的開銷並沒有那麽大。於是cache與主存之間采用簡單、快速的組相聯方式。采用的尋址方式是物理地址尋址。虛擬地址和物理地址的轉換
虛擬地址是屬於虛擬地址空間的，物理地址是屬於物理地址空間，但兩者都對應著同一個數據對象。除了這個兩個地址空間，其實還有一個磁盤地址空間。CPU為了取得數據，最終必須以物理地址的形式獲取。頁表
頁表是虛擬地址和物理地址對應的表。在內存中的表現形式是數組。操作系統負責創建和維護，每個進程都有各自的頁表，都存放在主存中。頁表是常駐主存的，不被換出。一個虛擬地址對應的物理地址或者磁盤地址和標記（64位字節）叫做頁表項。頁表項相對頁表基地址（數組基地址）的偏移，是MMU根據虛擬地址和相聯方式計算出來的。一般頁表也按多級頁表存放的，例如intel i7的頁表是四級頁表，但2M大頁的頁表就是3級頁表了。多級頁表可以減小頁表占用的空間。
MMU
虛擬地址轉換到物理地址是通過MMU完成的。MMU負責把虛擬地址和頁表基地址組合成頁表項的地址，然後再根據頁表項中的有效位等標記檢查頁表項是否有效、是否在主存中。如果有效且緩存在主存中就向主存獲取數據（會先嘗試從cache中獲取）。如果未被緩存在主存中，而是在磁盤中，則觸發缺頁處理程序，從磁盤換入主存中和相應的cache中。TLB對頁表的緩存
CPU每產生一個虛擬地址，訪問主存，都涉及到從虛擬地址到物理地址的轉換，都會訪問頁表，因此，如果訪問的頁表項被緩存在cache中，將大大提高獲取數據的速度。現在的系統采用專門的cache結構——TLB，來緩存頁表項。采用專門的TLB，原因有，因為有了頁表基地址之後，頁表項是虛擬地址尋址的，所以TLB采用虛擬地址更加方便，但cache結構是采用物理地址尋址的，所以設置了專門的TLB結構緩存頁表。TLB種類：
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