[计算机组成原理] 虚拟内存

程序跑起来都是跟地址相关的，可以试想，如果多个程序一起跑，难道不相互影响吗？又或者说 为什么我们写代码，从不去关心我们的程序在哪里运行？大家都用一个Memory，为什么没有相互破坏？好神奇！！

为了让多个程序在同一台计算机上更好的运行，而不发生相互破坏性影响，虚拟内存的概念被提了出来，从此多个程序都有了独立的地址空间。

虚拟内存，是与物理内存相对应的，可以设想，我们程序a运行起来，写地址Mx1，程序b运行起来 也写Mx1，结果是，他们没有相互影响，为什么？因为这个地址Mx1是虚拟内存，是假的，程序a的mx1 和程序b的mx1不是同一个地址，程序a写Mx1，结果写到哪去了呢？我们不知道，这件事是操作系统 完成的，他把程序a的Mx1映射到了一个地方，又把程序b的Mx1映射到了另一个地方，这两个程序就能 独立的跑起来了。

解决上述问题的方法很简单，是有一个叫做页表的东西来完成的。

内存分页

为了更好的解决这个问题，我们将内存分页，就成了多个page，假设一个page有16KB，那么page里面的 地址就有16KB=2^14B,个地址，我们需要用14bits来表示这个地址，所以，基于这种page模式 地址的低14位就是page offset，页偏移量，其他的高位叫做page number，在虚拟内存里面 叫做Virutal page number,在物理内存里面叫做Physical page number ,注意物理内存和虚拟内存 的page offset是一样的。于是我们一个page一个page的映射，一次映射就是一整页。页内部保持地址 一致，地址映射只是page number变化。

页表

我们之前说过，操作系统进行了一次映射，这个映射是怎么完成的呢？于是叶表出来了，有一张表 记录了所有虚拟内存地址页号（vpn）到物理内存地址页号的（ppn）的所有信息，显然为了高效性 这里我们使用数组来完成，在c++里面如果有一个数组a[4]={1,2,0,3};那么就有a[0]=1,a[1]=2,a[2]=0, a[3]=3;ok 映射完成了！！O（1）映射，高性能。但是还是有一个问题。这个数组可能回究极大大大大。 设想一个64GB的物理内存，以及1024GB的虚拟内存，页大小16KB，那么会导致36位的 physical address 40位的virtual address 以及14位的page offset，然后我们发现physical page number 达到了22位，virtual page number 达到了26位，我们来算一下这个数组有多大，26位的元素，2^26*22？bit，大概是150MB左右 这么大，缓存也放不下呀，只能放内存里面，可是这这东西读取频率是究极高的，放内存里面读写太慢了。

Translation Look-Aside Buffers (TLBs)

​ 于是我们思考能不能把一部分经常要用到放到Cache里面？能啊！！为什么不能？为了让叶表用的更加得劲， 我们还专门给你弄一个Cache，重新取名位TLB。哈哈。TLB和普通Cache一样，page offset和 TLB index TLB tag和Cache的一摸一样，计算方法一摸一样，此处不再多言。

TLB Entry

​ 这也是一样的，只是多一个Access Control (一般 2 bits),也就多两位来着。Cache懂了这里很简单。