本篇主要在代码剖析Page 之前的理论阐述,其中包括MMU、TLB、TTW、VIVT、VIPT、PIPT等术语的含义,介绍MMU 的工作过程,也会简单介绍一级页表 ~ 多级页表的映射过程。
MMU 是Memory Management Unit 的缩写,翻译为内存管理单元。它是CPU 配置的可选项,MMU 主要负责虚拟地址与物理地址的转换,提供硬件机制的内存访问权限。现在CPU 的应用中,基本上都会选择MMU。
我们通常把处理器能寻址的地址空间称为虚拟地址空间,对应的为物理地址空间。在没有使能分页机制的系统中,处理器会直接寻址物理地址,把物理地址发送给内存控制器中;而在分页机制的系统中 ,处理器直接寻址虚拟地址,这个地址不会直接发送给内存控制器,而是先发送给MMU的硬件单元。
程序可以在虚拟地址空间任意分配虚拟内存,但是只有当程序需要访问或者修改虚拟内存时操作系统才会为其分配物理内存,这个过程叫做请求调页(demand page) 或者缺页异常(page fault)。
虚拟地址VA[31:0] 可以分成两部分:一部分是虚拟页面内的偏移量,以4KB 页为例,VA[11:0] 是虚拟页面内的偏移量;另一部分用来确定属于哪个页,称其为虚拟页帧号(Virturl Page Frame Number,VPN)。
对于物理地址,也是类似的,PA[11:0] 表示物理页帧的偏移量,剩余的部分表示物理页帧号(Physical Fame Number,PFN