深入理解地址翻译 CSAPP

地址翻译, 用自己的话说一遍, 然后自己在draw.io画图理解.

术语

页表就是一个 页表条目（Page Table Entry  PTE)的数组，每一项(每个PTE)是[有效位，物理地址]. 我们是用VPN来标识每个PTE,但记住这些VPN并不是页表的一部分，不会储存在内存中

虚拟地址为n位，p位为offset(inner), 其他的为第几页，就是outter-inner的结构，outter的page number第几页，inner是页里面的第几行page offset （和一个循环的维度分成tile后的outter-inner概念类似，分块后有多少块，每块有多少行）

物理地址类似的

因为虚拟地址和物理地址每一页的大小相同都是p位，因此地址翻译的时候只需要翻译第几页的对应关系就可以，页的第几行是一模一样的。这个映射关系就是图左边的箭头，在右边用一个字典来存储这个映射关系，这个字典叫做页表page table，其中除了虚拟页号和物理页号的映射关系，还有一个信息是有效位，表示这个虚拟地址是否已经cached在主存中。

 综上所述，这个地址翻译的工作就是由MMU做的。

页命中的情况是这样的，CPU执行挑转指令时，ret call jump 等指令，会生成虚拟地址VA，MMU接到VA后，根据VA地址中的虚拟页号，在页表中查找，如果有效位为1，就是页命中，则MMU输出翻译后的物理地址，就是页表中那一行获取物理页号，拼接上虚拟地址的page offset，就是物理地址了，然后去内存获取数据，传给CPU。

页命中完全是由硬件来处理的，缺页的情况需要硬件和操作系统内核协作完成。MMU查表发现有效位为0， 触发异常，传给发缺页异常处理程序，这个异常处理程序给出物理内存中的牺牲页，如果这个页已被修改，则换出到磁盘，然后缺页处理程序调入新的页面，并更新表的中物理页号，有效位改为1。

 目前这套机制的问题是，如果VA空间很大，那么MMU要查找的页表就很长，每次MMU都需要从内存取这个页表的数据，代价大概是100cycle，如果可以把页表放到缓存中，那么开销就降为5cycle左右。因此在MMU内部做了一个关于PTE的缓存，叫做TLB (Translation Lookaside Buffer)翻译后备缓冲器。那么这个TLB肯定是比较小的，于是把虚拟地址的Page Number分成 2^t 个set，索引第几个set就是 TLBI (TLB index）- outter, 剩下的是inner TLBT (tag) 

术语

4KB的页面（4KB=2^12 page size）页面大小为4KB

32bit addr space (VA)

4-byte PTE 

求一共需要多大的page table?

2^32*2^-12 * 4Byte = 4MB

总是需要一个4MB的页表驻留在内存中。

对64-bit的系统来说，指针和地址都是 64 位的，但是虚拟地址空间则是 48 位的，超过 48 位的 bit 要么全是 0 要么全是 1，这是 intel 制定的规则，高位全为 1 的地址为内核保留（地址指向内核中的代码或者数据），高位全为 0 的地址为用户代码保留。 

假如地址空间是48bit, page size还是4KB，8-byte PTE, 则需要2^48*2^-12*8= 2^39 Byte =512GB来放页表。

解决方案是multi-level page table，多级页表表示，是一种压缩页表的方法。

 一级页面的每一项PTE映射总虚拟地址中4MB的片chunk, 每个页表块 为 4MB的片 chunk (1024 * 4Byte PTE) 

二级页表的每一个PTE负责映射一个4KB的虚拟内存页面，一级和二级页表都是4KB，刚好和一个页面大小是一样的。都是由2^10个条目，每个条目4Byte，总共是2^32 bit地址空间

如何压缩的思想：

- 如果一级页表中的某一项为空，相应的二级页表就不存在

- 只放一级页表在主存中，二级页表根据需要调度

具体例子

1. MMU把虚拟地址翻译成物理地址，TLB是虚拟地址寻址的，找到相应的物理地址（页面大小为4KB由12位的VPO，这个和物理地址的PPO是相同的）

2. 物理地址在传送到L1高速缓存（高速缓存是物理寻址的，L1高速缓存8组相连，由64个组，大小为64字节的缓存块，每个物理地址由6个缓存偏移位 和6个缓存索引位，这12位刚刚好和VPO, PPO也是12位。

因此地址翻译的时候，把VPN发给MMU处理，把VPO发给高速L1缓存处理。当MMU得到PPN，就可以匹配是否命中高速缓存了

L1,L2,L3 cache是物理寻址的，下图的块大小为4字节，intel的块大小是64字节

L1,L2是8路组相连，L3是16路组相连

页大小可以在启动时被配置，linux使用的是4KB的页

 

 1. MMU首先根据VPN查找 TLB， TLBI=3, TLBT=3, 找到相应的物理地址 PPN=0x0D

2.  PPN+PPO合成物理地址

3. 物理地址发送给cache，提取CI=5, CT=0xD, C0=0, 在表中找到值为36

4. cache将36中的字节通过MMU返回给CPU，并将其存到一个寄存器中

参考：https://greenhathg.github.io/2022/05/18/CMU213-CSAPP-Virtual-Memory-Systems/18-Virtual-Memory-SystemsSimple memory system exampleAddress Translation Example #1 PPN实际不存在页表中 MMU做的第一件事是检查TLB，将VA中的VPN的TLBI(0x3)和TLBT(0x03)提取出来。所以会去查set3找到tag为3的line，找到对应的line并且valid为1，TLB将PPN(0D)返https://greenhathg.github.io/2022/05/18/CMU213-CSAPP-Virtual-Memory-Systems/