第 11 章 虛擬記憶體技術和虛擬定址

1. 第 11 章虛擬記憶體技術和虛擬定址

2. 虛擬記憶體 • 虛擬記憶體隱藏實體記憶體的底層細節，提供另外一種更方便規劃的記憶環境。 • 虛擬記憶體建造虛擬的空間圖像 • 虛擬記憶體涵蓋各種不同的技術和方法。

3. 虛擬範例：位元組定址 • 還記得：在字組定址的實體記憶體上，把字組定址轉譯成位元組定址，正是虛擬位址的映射觀念。 • 智慧型控制器會負責把字組定址轉譯成位元組定址。

4. 虛擬術語 • MMU（記憶體管理單元） • 記憶體的智慧型控制器 • MMU接受處理器所送出的虛擬位址，再轉換成實體位址（轉換細節通常隱藏在MMU背後）。

5. 虛擬術語（Cont.） • 虛擬位址 • 虛擬位址非實體（或稱真實）位址 • 目前大部分的處理器使用的位址是虛擬位址，而非實體位址。 • 虛擬空間 • 虛擬空間意指所有虛擬位址的集合 • 可以大於或小於實體空間

6. 多重實體記憶介面 • 許多電腦可以把多個實體記憶體整合到單一虛擬空間。 • MMU可以延伸出更複雜的記憶體組織 • 比如：整合SRAM和DRAM兩種不同的實體記憶體： （SRAM一個字組四個位元組） （DRAM一個字組八個位元組） • 可以使用相同的指令，來存取位元組。

7. 涵蓋雙實體記憶介面的虛擬系統

8. 虛擬定址 • 如何提供虛擬空間？ • 比如： • 記憶體1的位址 0到 999 • 記憶體2的位址1000到1999 • 只要根據位址編號，MMU就可以知道目標是哪一個實體記憶體，和所使用的存取策略。

9. 雙實體記憶介面的虛擬位址

10. 位址映射 • 位址映射由MMU負責，又稱為位址轉譯。 • 如同之前範例： • 記憶體1的虛擬位址與實體位址相同，因此直接轉送這些虛擬位址給記憶體1； • 記憶體2的虛擬位址從1000開始，因此MMU必須在轉送給記憶體2之前，就先把虛擬位址轉譯到真實位址。

11. 執行位址轉譯的執行步驟

12. 避開計算 • 數學計算成本昂貴 • 盡量避開數學計算 • 解決的方法應該是：謹慎地使用2的冪次位元，以最簡單的虛擬位址分割方式，完成必要的位址轉譯。

13. 2的冪次範例 • 1000個位元組不是2的冪次方 • 實體記憶體應該改成210=1024位元組 • 最好改成 • 位址 0到1023給記憶體1 • 位址1024到2047給記憶體2

14. 二進位位址範例 • 以十進位的眼光來看，這些數值似乎不怎麼相似！改以二進位元排列，發現低階位元排列幾乎相同，唯一不同的只有最高階位元。

15. 重點 選擇2的冪次虛擬位址可以避開麻煩的算術計算，只要使用最簡單的位元分割，就可以讓MMU選擇到正確的實體記憶體，並執行必要的位址轉譯。

16. 非連續位址 • 連續位址 • 虛擬位址從零開始到最大位址，連續不斷。 • 每一個虛擬位址總是對應一個等效的實體位置。 • 非連續位址 • 實體記憶體都會有其映射的虛擬空間 • 使用者有權選擇記憶體的數量，或省略某些實體記憶體，這表示部分的虛擬位址將無法使用。 • 組合實體位址可能會出現非連續位址 • 造成虛擬空間出現漏洞

17. 非連續位址圖 • 一旦處理器存取到漏洞，將出現錯誤

18. 程式設計師受到的影響 虛擬空間可能是連續位址，每個位址會映射到一個實體記憶體的位置；另外，虛擬空間也可能非連續，造成虛擬空間出現一個或多個空洞，一旦處理器嘗試讀寫這些空洞，將因為找不到等效的實體記憶體，而出現錯誤。

19. 虛擬記憶體的動機 • 硬體整合同質性 • 程式規劃便利性 • 支援多重程式 • 程式和資料保護

20. 多重虛擬空間和多重程式執行 • 目標：多重程式執行 • 早期因為記憶體資源的衝突問題，多重程式執行是不可行的。 • 因此，必須有能力防止程式之間彼此的衝突與干擾。 • 技巧：提供各個程式擁有自己的虛擬位址空間，各自獨力互不干擾。

21. 一個實體四個虛擬空間範例

22. 多階層虛擬化 • MMU可以把多重虛擬位址轉譯到單一實體記憶體。 • MMU硬體還可以執行其它不同的虛擬化映射，比如： • 映射到多個實體記憶體 • 把位元組位址轉譯到字組位址。

23. 動態虛擬空間的建立技術 • 基底-界線暫存器 • 區段 • 分頁請求

24. 基底-界限暫存器 • 使用兩個暫存器：基底暫存器和界限暫存器，來界定出虛擬空間的位置。 • 在致能MMU之前，必須先載入數值到這兩個暫存器： • 基底暫存器儲存實體記憶體的位址，剛好指向虛擬空間的開頭。 • 界限暫存器則儲存整個虛擬空間的大小。

25. 使用基底-界限暫存器的虛擬機制

26. 界限的保護 • 為什麼要多一個界限暫存器呢？ • 答案就是：保護！ • 界限暫存器用來保證：程式不會超過其管轄範圍。 • 為了實現這種保護功能，MMU必須檢查每一個記憶體參考，一旦存取的記憶體位址跳出M，就會發生錯誤。

27. 保護觀念 支援多重程式執行的虛擬記憶體必須能夠提供保護，防止程式讀取或改變其它程式所座落的記憶體內容。

28. 區段 • 基底-界限的虛擬技術稱為粗粒映射。 • 另一種稱為細粒映射。 • 典型來看，電腦結構師發現： • 應用程式內部包含某些程序和呼叫流程，如果整個載入到記憶體時，會佔據許多空間。 • 大部分的應用程式在某個時間點，可能只有一個程序正在執行，顯然載入整個程式，有些浪費！

29. 區段問題 • 細粒映射只有需要這些區塊時，才載入記憶體，不必載入全部程式到記憶體。 • 程式片段可以先放在外部儲存裝置 • 有需求時再載入到記憶體 • 這種策略就是所謂的區段化，而這些程式片段就是區段。 • 區段問題：作業系統移動資料進出時，會受到不同區段大小的影響，容易造成記憶體的碎裂化。

30. 區段結論 區段是一種虛擬記憶體策略，通常意指：程式被分割成不同大小的區塊，只有需要這些區塊時，才會將區塊放到記憶體內，然而目前比較少用區段觀念，因為區段容易導致記憶體的碎裂。

31. 分頁請求 • 相對區段而言，另一種比較成功的分頁請求技術。 • 分頁請求把所有的程式分割成固定大小的區塊，稱為分頁。 • 分頁大小 • 早期，選擇512 B或1 KB分頁大小。 • 近年，Pentium使用4KB分頁。

32. 分頁請求具備的兩個技術 • 分頁硬體，用來映射位址和偵測分頁錯誤。 • 分頁軟體，用來交換外部儲存裝置和實體記憶體之間的分頁。

33. 分頁硬體 • 分頁硬體讓軟體（通常是作業系統）可以請求相關的分頁事宜，包含：指定分頁位址、使用虛擬位址執行應用程式、…等。 • 硬體會轉譯記憶體位址，但是 • 如果硬體存取不到分頁所指定的位址，就會發生分頁錯誤。 • 分頁錯誤可能遺失分頁 • 硬體的責任會通知作業系統有個錯誤發生了，讓軟體決定並解決問題。

34. 分頁軟體 • 分頁軟體必須決定 • 那些分頁放在記憶體，哪些放在外部儲存裝置。 • 一旦需要分頁時，軟體會負責請求動作。 • 硬體報告分頁錯誤後，分頁軟體必須接手。 • 分頁軟體必須讀取必要的分頁到記憶體。 • 分頁硬體和分頁軟體必須一起工作 • 分頁錯誤發生後，硬體必須儲存當時的狀態。 • 軟體必須瞭解如何規劃MMU的細節動作。

35. 分頁置換 • 一開始 • 虛擬記憶體會把分頁搬到記憶體內部 • 如果記憶體滿載，應用程式繼續要求新的分頁，則系統必須回收現有的分頁，讓出空間給新的分頁，稱為分頁置換。 • 分頁置換與效能有相當的關聯 • 分頁在外部儲存裝置和記憶體之間的轉移動作，非常耗時。

36. 分頁術語 • 分頁：一個固定大小的程式區塊 • 框架：剛好容納分頁的實體記憶位置 • 常駐狀態：分頁已經置放在記憶體框架內部，稱該分頁進入常駐狀態。 • 常駐集合：所有常駐於記憶體的分頁

37. 分頁資料結構 • 整個分頁請求的資料結構，就是所謂的分頁表。 • 最簡單的分頁表就是：儲存分頁號碼的一維陣列索引。 • 索引依序標示為0、1、…等。 • 每個分頁表項目不是null指標，就是分頁的實體位址。

38. 分頁表

39. 分頁位址轉譯 • 為了瞭解分頁硬體，可把整個位址空間分割成固定大小的分頁。

40. 分頁位址轉譯（Cont.） • 假設分頁大小為固定的K位元組 • 把虛擬位址V轉譯到實體位址P，需要以下步驟： • 先決定虛擬位址V的分頁號碼 • 把分頁號碼當作分頁表索引，找到該分頁的第一個位元組位址。 • 決定V離第一個位元組位址的距離，然後移動到該記憶體框架同樣距離的位址。

41. 分頁位址轉譯的數學觀點 • 假設分頁號碼為N，如下： • 偏移位址O，如下： O = V modulo K • 虛擬位址V可以使用分頁表N和偏移位址O，轉譯成對應的實體位址P，如下： P = 分頁表[N] + O

42. 使用2的冪次 • 算術運算成本昂貴 • 分頁系統使用2的冪次方 • 即每一個分頁可以容納2q個位元組， • 分頁表改由位元萃取，取出記憶體位址 • MMU執行運算，把虛擬位址V轉譯成實體位址P： P=分頁表[高階位元(V)] or 低階位元(V)

43. MMU的硬體轉譯工作圖

44. 出現、使用、修改位元 • 分頁表最常使用的控制位元，協調分頁軟硬體的相關運作。

45. 分頁表儲存 • 哪麼分頁表要放在哪裡？ • 某些系統會把分頁表儲存在MMU晶片。 • 有些處理器把分頁表放在記憶體！

46. 儲存在實體記憶體的分頁表

47. 分頁效率 • 記憶體是電腦系統中，重複使用最頻繁的資源。 • 想把分頁表放在記憶體 • 必須有足夠的效率 • 避免成為瓶頸

48. TLB • TLB（轉換後備緩衝器）是一種特殊高速硬體，可以用來進行分頁表的查閱動作，最佳化分頁請求的效能。 • TLB是一種CAM（內容定址記憶體），每當MMU轉譯位址時，總會在TLB上置放一份拷貝，讓系統進行高速查閱。 • 如果在TLB內找不到相關的資訊，則會繼續進行標一般準的位址轉譯動作。

49. TLB的效能 • 為什麼TLB可以改善效能呢？ • 處理器傾向連續擷取記憶體指令 • 這種連續擷取意味： • 直接運用下一個指令的機率很高 • 不必再次索引分頁表，節省轉譯時間。 • 運用TLB的效能改善相當明顯。

50. TLB的重要性 TLB特殊高速硬體設備常用來最佳化分頁系統的效能表現，沒有 TLB的虛擬記憶體速度顯然太慢！