9.6.1 结合高速缓存和虚拟内存

好的，我们来通过一个具体的例子说明物理寻址和虚拟寻址的 SRAM 高速缓存的区别。

核心概念简述

• 虚拟地址 (Virtual Address, VA)：由 CPU 发出的、程序看到的地址。每个进程都有自己独立的虚拟地址空间。
• 物理地址 (Physical Address, PA)：在物理内存（DRAM）上的实际地址。整个系统只有一套物理地址空间。
• SRAM 高速缓存：位于 CPU 和主存（DRAM）之间，用于加速内存访问的小而快的存储器。

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场景设定

假设我们有两个进程：进程 A 和 进程 B。
它们通过操作系统的内存管理，共享了同一块物理内存页（例如，这是一个共享库的代码段）。具体来说：

• 进程 A 将此共享页映射到其虚拟地址空间的 0x4000 处。
• 进程 B 将此共享页映射到其虚拟地址空间的 0x8000 处。
• 这块共享内容在物理内存中的实际位置是 0x12345000。

现在，进程 A 和进程 B 都要读取这个共享页开头的一个字（word）data。

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例子 1：物理寻址的高速缓存 (Physically Addressed Cache)

这是大多数现代系统的选择（如 x86, ARM）。

工作流程：

1. 进程 A 发出读取虚拟地址 VA=0x4000 的指令。

2. MMU（内存管理单元） 介入，通过查询进程 A 的页表，将 VA=0x4000 翻译成 PA=0x12345000。同时，MMU 会检查进程 A 是否有该地址的读取权限（保护机制在此完成）。

3. CPU 现在要获取物理地址 PA=0x12345000 的数据。

4. 缓存 检查是否存在标签为 0x12345000 的数据。我们假设缓存miss，于是从物理内存 0x12345000 处将 data 加载到缓存中。缓存的标签是物理地址 0x12345000。

5. 进程 A 的请求被满足。

6. 稍后，进程 B 发出读取虚拟地址 VB=0x8000 的指令。

7. MMU 介入，通过查询进程 B 的页表，将 VB=0x8000也翻译成 PA=0x12345000（因为它们是共享的同一物理页）。同时检查进程 B 的权限。

8. CPU 现在也要获取物理地址 PA=0x12345000 的数据。

9. 缓存 再次检查标签 0x12345000，发现缓存命中 (Hit)! 因为之前进程 A 的访问已经把 data 缓存了。

10. 缓存直接将 data 返回给 CPU，进程 B 的请求被极大地加速。

物理寻址的优势体现：

• 共享天然高效：尽管进程 A 和 B 使用不同的虚拟地址（0x4000 vs 0x8000），但缓存只认最终的物理地址（0x12345000）。数据在缓存中只有一份副本，所有共享该物理页的进程都能受益，缓存利用率高。
• 保护简单：缓存完全不需要关心“当前是哪个进程在访问”或“这个虚拟地址是否有权限”。保护检查由 MMU 在地址翻译阶段统一完成。缓存只是一个“傻傻的”、基于物理地址的快取，设计简单高效。

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例子 2：虚拟寻址的高速缓存 (Virtually Addressed Cache)

这种设计较少见，但在一些早期处理器或特定场合（如 TLB 之后的一级指令缓存）存在。

工作流程：

1. 进程 A 发出读取虚拟地址 VA=0x4000 的指令。

2. CPU 直接使用这个虚拟地址 VA=0x4000 去查询缓存（MMU 尚未进行地址翻译）。

3. 缓存 检查是否存在标签为 VA=0x4000 的数据。假设缓存miss，这时才去启动 MMU 进行地址翻译，得到 PA=0x12345000，然后从物理内存加载 data。此时，缓存的标签是虚拟地址 0x4000。

4. 进程 A 的请求被满足。

5. 稍后，进程 B 发出读取虚拟地址 VB=0x8000 的指令。

6. CPU 直接使用虚拟地址 VB=0x8000 去查询缓存。

7. 缓存 检查标签 VB=0x8000，发现缓存 miss！因为缓存里存储的是标签为 VA=0x4000 的数据（进程 A 留下的），虽然它们指向相同的物理数据。

8. 于是流程需要从头再来：启动 MMU 翻译 VB=0x8000 -> PA=0x12345000，然后从内存（或者另一个进程的缓存条目？）加载数据。缓存中现在可能有了两份相同数据的副本，一份标签为 0x4000（属于进程 A），另一份标签为 0x8000（属于进程 B）。