简单理解什么是虚拟存储器

虚拟存储器是非常重要的一个概念。先抽丝剥茧的了解下什么是虚拟存储器，再理解下虚拟存储器有什么作用。

一、什么是虚拟存储器

（1）虚拟存储系统通过虚拟地址寻址；
（2）虚拟地址和物理地址通过页表实现一一映射；
（3）页表存放在主存中；

物理寻址和虚拟寻址

存放在存储器中每一个字节都有一个地址，这个地址称为物理地址（PA, physical address）。处理器通过物理地址访问数据的方式称为物理寻址。处理器也可以通过虚拟地址（VA, visual address）寻址，称为虚拟寻址。处理器生成一个虚拟地址来访问处理器，在地址到达存储器之前需要先转换为物理地址。存储器管理单元负责将虚拟地址转换为物理地址。
物理地址由物理页号（PPN）和物理偏移量构成（PPO）。虚拟地址由虚拟页号（VPN）和虚拟偏移量构成（VPO）。一般情况下，物理偏移量等于虚拟偏移量，物理页号和虚拟页号通过页表实现映射。

页表

计算机的存储结构包括：高速缓存（SRAM），主存储器（DRAM）以及磁盘（固态硬盘或者机械硬盘）。处理器从缓存中取数据，如果缓存没命中，处理器从主存中取数据。如果主存也没命中，处理器就先要把需要的数据从磁盘中搬运到主存中，再从主存中取数据。如何判断数据是否在主存中，我们需要一个东西，叫做页表（PTE, page table entry）来告诉我们数据是否在主存中。页表由有效位和一个n位地址字段组成。如果有效位为1，则地址段放置虚拟页在磁盘上的起始物理地址，虚拟页典型值为4K-2M。页表只有三种状态，a.未分配。地址段上没有数据。b.已缓存。地址段上有数据，有效位为1，表明该虚拟页数据都缓存在主存中。c.未缓存。地址段上有数据，有效位为0。如下图所示，页表共有八项，其中PTE0,PTE5未分配，PTE1,PTE2,PTE4, PTE7已缓存，PTE3,PTE6未缓存。

因此，处理器访问主存有两种状态，一是页命中，数据缓存在主存中，二是缺页，数据没有缓存在主存中。虚拟页号VPN与PTE是一一对应的，例如VPN0-PTE0, VPN1-PTE1等等。

地址翻译

地址翻译由以下几个步骤组成：
（1）处理器生成虚拟地址，传给MMU;
（2）MMU提取虚拟页号VPN，传送给高速缓存/主存；
（3）通过高速缓存/主存中页表，查询虚拟页号对应的PTE内容，并返还给MMU；
（4）如果有效位为0，进入第五步，有效位为1，进入第八步；
（5）MMU触发异常，处理器进入缺页异常处理程序；
（6）缺页异常处理程序从磁盘中调入新的页面，更新进PTE页表中；
（7）CPU重新发送虚拟地址，进入第二步；
（8）MMU构造物理地址，并将地址送给高速缓存/主存；
（9）高速缓存/主存返回数据给处理器

二、加快地址翻译

TLB

翻译后备缓冲器（TLB，translation lookaside buffer）。TLB是一个小的，虚拟地址缓存，其功能相当于高速缓存，特别的，作为页表的高速缓存。TLB存放在处理器中，因此，处理器可以非常快速的从TLB中取出PTE。

TLB由标记位和索引位构成。相当于全相联高速缓存。处理器访问数据步骤如下：
（1）处理器产生虚拟地址；
（2）如果TLB 命中，TLB返回PTE给MMU；如果不命中，MMU从高速缓存中取出PTE，放在TLB中，覆盖已经存在的条目。
（3）MMU根据PTE生成物理地址，并将它发送给高速缓存或者主存；
（4）高速缓存或者主存返回数据给处理器

多级页表

TLB解决了访问速度的问题，多级页表可以解决页表占用空间大小的问题。假设地址空间为32位，则处理器最高可访问4GB的存储器，假设存储器物理页大小为4K，每个PTE占用4个字节。则页表大小为4MB，意味着主存中至少留下4MB空间用来存放页表。这无疑是一种浪费，使用多级页表可以压缩页表大小。
一级页表每个PTE对应4MB虚拟页，总共需要1024个PTE可以映射4GB虚拟地址空间。二级页表每个PTE对应4KB虚拟页，1024个二级PTE可以映射4MB虚拟地址空间。如果一级页表的PTE为空，则对应的二级页表就根本不会存在，如图中的PTE2/3/4/5/6/7等。这大大节省了主存的空间。一级页表总是存放在主存中，只有需要二级页表时，虚拟存储器系统才会创建，调入或调出二级页表。

三、虚拟存储器作用

虚拟存储器是硬件异常，硬件地址翻译，主存，磁盘文件和内核软件的完美交互，为每个进程提供了一个大的，一致的和私有的地址空间。主要有三个作用：
（3）保护进程的地址空间不被其他进程破坏。

虚拟存储器作为缓存的工具

在虚拟存储系统中，可以将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存。处理器通过页表可以知道物理页有没有缓存在主存中。

虚拟存储器作为存储器管理的工具

虚拟存储器为每个进程提供了一致的地址空间，简化存储器管理。
（1）简化链接
（2）简化加载
（3）简化共享
（4）简化存储器分配

笔者对于链接，加载这些过程都不了解，因此只将大概记录下来，日后有所了解，再做补充。详情可以参考《深入理解计算机系统》9.4节

虚拟存储器作为存储器保护的工具

在示例中，PTE添加了三个许可位。SUP位表示进程是否必须运行在内核（超级用户）模式下才能访问，运行在内核模式下的进程可以访问任何页面。运行在用户模式下的进程只能访问SUP值为0的页面。READ和WRITE位控制处理器对页面的读和写访问。
如果一条指令违反了许可条件，CPU将会触发一个保护故障，将控制传递给一个内核中的异常处理程序。