存储之虚拟内存

寻址方式

主存：由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节单元都有一个唯一的物理地址（Physical Address，PA）
物理寻址：CPU将想要访问的物理地址通过内存总线发送给主存，主存取出该地址处的数据，并返回给CPU
虚拟寻址：CPU生成的是虚拟地址（Virtual Address，VA），内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）利用存放在主存中的查询表（即页表，由操作系统管理）将VA翻译成PA，所以该过程需要硬件与OS的紧密合作

地址空间

物理地址空间：\(\left \{ 0,1,...,M-1 \right \}\)
虚拟地址空间：假设系统为n位(32或64)，\(\left \{ 0,1,...,2^n-1 \right \}\)

虚拟内存与物理内存的映射

考虑：虚拟内存是在磁盘上，物理内存即真实的主存，那么如何将虚拟内存中的数据缓存到物理内存中呢？
虚拟内存系统将虚拟内存分割为大小为P的虚拟页（Virtual Page，VP），类似地，物理内存被分割为大小为P的物理页（Physical Page，PP），也称为页帧（page frame）。

任意一个VP可能有三种状态：

未分配：VM系统还没有创建的页，所以不占用磁盘空间。
未缓存：已经分配，仍在磁盘中，没有缓存到物理内存。
已缓存：已经缓存到物理内存中，磁盘和主存中均存在。

比如在上图中，VP0和VP3还没有被分配。VP2、VP5和VP7已经分配，但是还没有缓存到主存中。VP1、VP4和VP6已经缓存在主存中。

SRAM缓存通常指cache，DRAM缓存通常指虚拟系统的缓存。由于磁盘要比DRAM慢10万多倍，并且从磁盘的一个扇区读取第一个字节非常耗时，DRAM缓存的不命中非常昂贵，所以具有以下特点：

虚拟页很大，通常是4KB~2MB。
DRAM缓存是全相联的，即任何虚拟页都可以放置在任何的物理页中。
操作系统为DRAM缓存不命中提供了复杂精密的替换策略。
DRAM缓存总是使用写回，而不是直写。

页表(page table)

虚拟内存系统如何确定虚拟页是否缓存以及缓存在哪个物理页中呢？
页表：存放在物理内存中的数据结构，将虚拟页映射到物理页。每次MMU将VA转换为PA时，都会读取页表。操作系统负责维护页表的内容，以及在磁盘与DRAM之间来回传送页。

页表就是一个页表条目(Page Table Entry，PTE)的数组，每个PTE包含一个有效位和一个n位的地址字段。n=0表示未缓存，地址字段为空表示未分配，地址非空时表示地址为该虚拟页在磁盘上的起始位置。n=1表示已缓存，地址字段表示主存中物理页的起始地址。

如上图中，一共有8个虚拟页，4个物理页，VP0和VP5还没有被分配，VP1、VP2、VP4和VP7已经被缓存在主存中，VP3和VP6已经分配但未被缓存。