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18-600快要考试了，在博客中把学过的东西整理一下思路，写到博客里也好以后自己有空看看，希望对以后的人也有所帮助。至于这门课的Lab的代码，等我考完试就把它放上来。

本次复习的重点如下：

我感觉考试的重点就是都是重点，23333~ 话不多说，今天就开始讲我最不熟悉的部分：虚拟内存（Virtual Memory）。

在鄙人的印象中，CPU和存储器之前是通过总线连接，根据某些协议进行通信，I2C，或者别的什么协议的。在进行数据传递的时候，就需要传递地址。我觉得传递的就是直接的物理地址，如下图：

想起那个时候写HDL的Cache都是这么来的。

但是我在上课的时候，我发现我理解错了。其实CPU发给Memory的是虚拟地址、Memory接到的是物理地址、它们之间有一个叫做MMU的东西。就是把虚拟地址转换成物理地址，再进行数据的传递。如下图所示：

从这里我们可以看出，从VA到PA之间其实是有一个映射函数在这里面，把VA映射到PA。那么这里我们就要提问题了，为什么要加VA呢？怎么映射的呢？

首先回答第一个问题：Why VM？

Why VM？

看解释。

第一个是说可以通过VM，使得DRAM成为VAP的一部分。一般来说呢，VA的地址空间比PA大很多，这里的物理地址是Cache或者是DRAM。

在最早的存储金字塔我们可以知道DRAM不命中的后果是比SRAM严重得多，差不多是4个数量级的差别。所以我们需要尽可能增加DRAM的命中率。在物理级别，DRAM其实可以看做是磁盘的Cache。那么我们在这里采取VM，其实可以看成是磁盘的一种地址映射。从更高的维度去获取DRAM的数据，可以非常灵活，比如VM中的虚拟页可以映射到任何一个DRAM中的物理页。如果调度合理的话，将可以极大降低MISS。

在这里，为了使得VM和PM之间的数据映射更加灵活，采取了一种分页的方法。这种方法把VM和PM分成固定大小的页，这些页形成了一种叫做页表的东西。如果页的大小不一样的话，那么做映射的时候其实会更复杂一些。我觉得如果页的大小可以随机变化的话，一方面是增加了维护成本，复杂度等等；但是另外一方面我觉得如果可以页的大小自己设定的话，那么就可以计算当前运行程序的一个working set，把需要的页面加载进去PM，增加Hit的概率，减小Miss。在这里呢，需要额外说一下工作集：就是程序运行时的较小的活动页面。如果在工作集里运行，那么Hit非常高。否则就会有颠簸，页面会频繁地page in and out。

页表包含了VP和PP的映射关系。通过页表这样的一个映射，那么VM和PM就联系了起来。页表中每一项都有一个地址和它的值。它的地址当然就是对应VP（虚拟页面），存储的值就是PPN。

比如现在CPU传了一个虚拟地址，然后虚拟地址就找到对应页表中的PPN（物理页号），然后在由虚拟地址和物理页号找到最终的物理地址。如果没有找到的话，就需要在PM加载所需要的页，再增加到PT。再运行一次刚才的请求。怎么样确定所需要的页呢？（等我学了神课Operating System再说）在这里，我只是一笔带过地址翻译，具体的涉及到了MMU、TLB的细节的请看下面的VM Translation。

现在我们来说说VM的第二个作用：存储器管理。
每个进程都有自己的虚拟地址空间，它们自己的虚拟地址空间可以任意映射到物理地址空间。那么这样你可以发现不少好处，比如简化链接，在我们的进行链接的时候，每个进程都可以从自己空间的同一个地址开始加载，当然它们外面有一个基地址作为区别。这样的话，进程加载就可以从自己的虚拟地址空间的同一个起始地址开始，大大降低了链接的难度。另外呢，我们进行数据共享的时候更方便，想想如果没有VM，所有的数据直接引用DRAM里面，然后好几个进程引用同一个物理页，那么引用的时侯地址都是不连续的。不像VM一样，在程序员角度看来地址都是连续的。不连续的话就会导致跳转增加，而且容易导致程序混乱，不方便管理。还有就是采用分页呢可以方便内存管理，写过Malloc的同学应该都了解外部碎片，那么采用了分页呢，可以减少外部碎片。然后使用VM呢，可以使得Malloc内存的时候，不一定需要连续的内存，可以映射到K个任意页面。这样也是减少了外部碎片。

第三个作用就是作为存储器保护工具。具体的就是在每个虚拟页之前加入访问权限，其实就是加入了几个bits（SUP、READ、WRITE、EXEC）。其实我觉得这个功能说起来有点儿牵强，其实在PM里同样也可以这么加。我看不出在VM加如这个就能有这个特殊性。

通过以上介绍，VM确实有很多好处，当然也必须看到它所带来的一些Memory的cost，以及为了维护PT、地址翻译等等需要不少的额外。

其实VM我觉得还有一个好处，它可以使得一个很大的存储器（比如很多磁盘的组合）协同工作。通过VM可以使得很多的细节被掩藏了起来，我们不需要知道背后的内存系统。我们只需要对于VM进行操作即可。

虽然刚刚说我们编程不需要对VM背后的内存系统进行了解，但是对于地址翻译这个，我觉得说一下还是有好处的。

VM Translation

地址翻译：把虚拟地址映射成物理地址。也就是给你一个虚拟地址，映射关系（页表），你得知道它的物理地址。

首先，了解一些基本概念。

然后我来说一下地址翻译的过程。

首先是逻辑层面。

上图中就是说给了一个虚拟地址（VPN+VPO），根据VPN，去找到页表的相应PPN。如果invalid，那么就先加载这一页到PM，再更新PTE。

在硬件层面，CPU发虚拟地址给MMU，MMU解析出虚拟页号，然后发送给Cache/DRAM。然后在Cache中存着页表，找到之后发回给MMU。如果没找到，就从磁盘中加载。在这之后，MMU把虚拟地址的offset和Cache发给MMU的物理页号合并之后发给Cache，Cache把数据取出，发给了CPU。
命中->

缺页->

聪明的你应该发现了MMU为了获取物理页号和Cache/memory有一个通信，这是比较消耗cycle的。所以就有了TLB（Translation lookaside buffer），是由VPN、PPN、valid bit组成。其实我觉得它就是page table的一个cache。TLB和VPN、PTE的关系：把虚拟地址的虚拟页号分成TLBT、TLBI。VPO就是PPO。

在增加了TLB之后的page hit和page fault的情况。

page hit->

page fault->

在使用了TLB之后，我们可以加速Address Translation。但是我们遇到了另外一个问题：采取单级PT会使得PT的大小就非常大。那么就有了MPT。这种思路就可以让我们把需要的大页面加载到内存中，这里已经有了partition的思想在里面。

接下来举一个具体的例子，看一下虚拟地址是如何从VA、TLB、PT、PA这个心路历程。
1、虚拟地址和物理地址的表示：14位的虚拟地址，12位的物理地址。页大小是64bytes。那么计算得出offset就需要6个bits。那么剩下的VPN就是8bits。

2、TLB的组成：4组4路的Cache。因为是4组，那么就需要2bit做索引。剩下的6个bits那么就是tag了。

3、页表：因为虚拟页号是8 bits，那么就可以用256个页。我们只看前16个页（主要是为了做题）

4、PM中的Cache：

以上的PPT里面就有一个例子，给出了VPN，它是如何从TLB取出所需的值。然后如果TLB miss的话，就从PT取出值。如果PT miss的话，就从Cache/DRAM调入新的页面。更新PT、TLB。

Some tips

1、寻址方式：字节寻址
2、在换页的时候采用的是write back的方式。
3、page fault的情况：invalid和access deny

以上PPT的截图来自于课程CMU15-213的主页：CMU 15-213主要是这门课还是CSAPP的作者讲的。

其实我在上的是CMU 18-600，如果你想了解更多关于处理器比如Superscala的东西的话，请看：CMU 18-600 其中讲课的人还有一个是我的导师，在做处理器方面很牛逼的老师。